具体描述
Graduate-level text examines propagation of thermal radiation through a fluid and its effects on the hydrodynamics of fluid motion. Topics include approximate formulations of radiative transfer and relativistic effects of fluid motion; microscopic physics associated with the equation of transfer; inverse Compton scattering; and hydrodynamic description of fluid. 1973 edition.
《星际航行中的流体力学与热力学：从基础到前沿应用》 图书简介 本书深入探讨了在极端物理环境下，流体物质（包括气体、等离子体和磁化流体）所展现出的复杂动力学行为。不同于专注于特定方程组的理论分析，本书旨在构建一个全面的框架，将经典流体力学、热力学、辐射传输以及磁流体力学（MHD）的原理有机地融合在一起，重点关注这些理论在天体物理、空间探索以及高能密度物理实验中的实际应用和挑战。 第一部分：流体动力学与热力学基础的再审视 本书首先从牛顿流体和欧拉方程组出发，对流体运动的基本描述进行了严谨的回顾。然而，本书的重点在于超越理想流体的假设。我们详细分析了粘性效应——无论是牛顿粘性还是非牛顿粘性——如何影响宏观流动结构，特别是在边界层、湍流以及剪切不稳定的区域。 热力学部分则着眼于非平衡态过程。我们不满足于热力学平衡的假设，而是深入研究了能量在系统内部的输运机制：热传导（傅里叶定律的推广）、粘性耗散产生的热量，以及由于绝热膨胀和压缩引起的状态变化。书中对气体状态方程的讨论涵盖了从低密度理想气体到高密度简并费米子气体和非理想流体的过渡。特别值得关注的是，我们详细阐述了多相流体系统的热力学耦合——例如，在行星大气层中气态与液态（或固态）之间的相变过程及其对流场的影响。 第二部分：电磁场与流体的耦合——磁流体力学（MHD）的深度解析 磁流体力学是理解天体物理现象的核心工具。本书在MHD基础之上，着重分析了“辐射”在等离子体动力学中所扮演的关键角色——尽管本书不直接聚焦于辐射流体力学方程组的完整推导，但我们强调了辐射场与磁场、流场之间的复杂反馈机制。 我们详细考察了阿尔芬波（Alfvén Waves）的传播特性，并讨论了磁重联（Magnetic Reconnection）这一关键能量释放过程的动力学。书中包含了对霍尔效应和电阻率的讨论，这些微观效应如何影响宏观的磁场拓扑演化。在应用层面，本书构建了对磁通量冻结概念的深刻理解，并分析了在弱磁场和强磁场区域，等离子体如何表现出不同的动力学特征。对于空间等离子体，我们讨论了磁层动力学、太阳风的加速机制，以及磁场重联在地球磁层亚暴中的作用。 第三部分：湍流、层流破碎与能量级串 湍流是流体物理中最具挑战性的领域之一。本书采用了从经典Kolmogorov理论到现代多尺度分析的视角来处理湍流问题。我们详细分析了湍流的产生、维持和能量耗散机制，尤其关注了剪切层不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性在驱动湍流中的作用。 在天体物理背景下，我们探讨了各向异性湍流（Anisotropic Turbulence）和Shear-Induced Mixing（剪切诱导混合）现象。例如，在超新星爆发遗迹中，落向中心核的物质与外层等离子体之间的相互作用，往往通过湍流混合来改变其化学丰度和温度剖面。书中还探讨了湍流如何影响有效输运系数（如有效粘度和有效扩散系数）的增加，从而加速了系统的弛豫过程。 第四部分：极端环境下的应用与数值挑战 本书的后半部分转向了前沿应用，特别是那些流体动力学、热力学和电磁场效应必须同时考虑的场景。 1. 恒星内部结构与演化： 我们利用对流理论和有效热传导模型，来解释恒星内部的结构分层。重点分析了对流区与辐射区的界面动力学，以及内部重力波和磁场对恒星脉动的影响。 2. 行星大气与等离子体体逃逸： 针对系外行星和类木行星，我们模拟了强磁场和高热流下，大气物质如何被恒星风剥离（Plasma Evaporation）。这要求精确耦合气体动力学和高能粒子流的相互作用。 3. 惯性约束核聚变（ICF）的前沿模拟： 在ICF研究中，燃料靶丸的压缩阶段涉及到极高的压力和温度梯度。我们讨论了流体不稳定性（如瑞利-泰勒不稳定性）如何破坏燃料的均匀性，并重点分析了在非理想气体效应显著的区域，如何通过先进的数值方法来捕捉这些复杂的界面演化。 4. 实验高能密度物理（HEDP）： 对于使用强激光驱动的Z-Pinch或Inertial Confinement实验，流体行为往往与磁场、辐射耦合交织在一起。本书探讨了如何利用实验诊断数据来验证和改进我们对强激波、等离子体射流稳定性的理解。 结论与展望： 本书总结了当前理解中存在的知识鸿沟，特别是当辐射驱动效应变得与惯性或磁场效应同等重要时，如何建立稳健且计算效率高的模型。我们强调了先进数值方法的必要性，并展望了未来在处理多尺度、多物理场耦合问题上可能出现的突破。本书旨在为深入研究复杂流体系统——无论是在宇宙深处还是在地球实验室中——的物理学家和工程师提供坚实的理论基础和广阔的应用视野。
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