Numerical Methods for Ordinary Differential Systems

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出版者:Wiley
作者:J. D. Lambert
出品人:
页数:304
译者:
出版时间:1991-09
价格:USD 130.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780471929901
丛书系列:
图书标签:
  • 数值方法
  • 常微分方程
  • 数值分析
  • 科学计算
  • 数学建模
  • 微分方程
  • 算法
  • 工程数学
  • 计算数学
  • 数值解
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具体描述

Numerical Methods for Ordinary Differential Systems The Initial Value Problem J. D. Lambert Professor of Numerical Analysis University of Dundee Scotland In 1973 the author published a book entitled Computational Methods in Ordinary Differential Equations. Since then, there have been many new developments in this subject and the emphasis has changed substantially. This book reflects these changes; it is intended not as a revision of the earlier work but as a complete replacement for it. Although some basic material appears in both books, the treatment given here is generally different and there is very little overlap. In 1973 there were many methods competing for attention but more recently there has been increasing emphasis on just a few classes of methods for which sophisticated implementations now exist. This book places much more emphasis on such implementations--and on the important topic of stiffness--than did its predecessor. Also included are accounts of the structure of variable-step, variable-order methods, the Butcher and the Albrecht theories for Runge--Kutta methods, order stars and nonlinear stability theory. The author has taken a middle road between analytical rigour and a purely computational approach, key results being stated as theorems but proofs being provided only where they aid the reader's understanding of the result. Numerous exercises, from the straightforward to the demanding, are included in the text. This book will appeal to advanced students and teachers of numerical analysis and to users of numerical methods who wish to understand how algorithms for ordinary differential systems work and, on occasion, fail to work.

好的,这里有一份关于一本假设的、与“Numerical Methods for Ordinary Differential Systems”主题不重叠的图书的详细简介,字数约为1500字。 --- 《高级流体力学:湍流、多相流与计算模拟》 作者: [此处留空,想象中的作者] 出版社: [此处留空,想象中的出版社] ISBN: [此处留空,想象中的ISBN] 定价: [此处留空,想象中的定价] 页数: 约950页(含索引) --- 封面导语 在现代工程与科学探索的前沿,对流体运动的深入理解是解决能源、环境、航空航天乃至生物医学等领域复杂挑战的关键。本书《高级流体力学:湍流、多相流与计算模拟》旨在超越传统流体力学教材的基础范畴,为研究生、高级研究人员及资深工程师提供一个全面、深入且高度实用的知识体系。本书的核心聚焦于流体动力学的两大核心难题——湍流现象的本质解析与多相流系统的精确建模,并结合最前沿的计算流体力学(CFD)技术,系统地梳理了从理论基础到实际应用的完整路径。 本书的结构经过精心设计,旨在逐步引导读者穿越经典理论的严谨性,直抵当代研究的热点与难点。它不仅是理论的深度探索,更是面向实际问题的强大工具集。 内容概述 本书共分为六个主要部分,涵盖了从宏观到微观、从单相到复杂系统的全景式视图。 第一部分:湍流的统计描述与本构理论 (Tackling Turbulence: Statistical Descriptions and Constitutive Theories) 湍流,这一自然界中最普遍却最难以驾驭的现象,是本书的首要突破口。我们首先对纳维(Navier-Stokes)方程在湍流条件下的统计行为进行深入探讨。 章节重点包括: 1. 雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程的推导与封闭问题: 详细阐述了雷诺应力的来源及其在不同流态(如边界层、分离流)下的演化特性。着重分析了标准 $k-epsilon$、$k-omega$ 模型及其剪切修正模型的物理基础与适用边界。 2. 大涡模拟(LES)的理论框架: 聚焦于亚格子尺度的建模技术,包括尺度分离滤波器的选择(如舒曼滤波器、兰格滤波器)以及对次网格模型(如WALE模型、动态Smagorinsky模型)的严格数学推导和性能评估。 3. 直接数值模拟(DNS)的挑战与未来: 讨论了在极端雷诺数下进行DNS所需的高性能计算资源,并探讨了DNS在揭示湍流内在结构(如涡核、湍流脉动)方面的重要作用。 第二部分:复杂边界层与流动分离控制 (Complex Boundary Layers and Flow Separation Control) 本部分深入探讨了高雷诺数流动中边界层的失效机制以及主动与被动流动控制策略。 章节重点包括: 1. 湍流边界层稳定性分析: 采用线性稳定性理论(LST)和非线性稳定性理论(NLST)分析切应力和压力梯度对层流向湍流转捩过程的影响。 2. 流动分离的机制与再附着: 结合实验观察和数值模拟结果,分析了钝体绕流、翼型失速等场景下分离泡的形成、演化与再附着现象。 3. 主动流动控制技术: 详细介绍如等离子体激励器(Dielectric Barrier Discharge Actuators, DBD)、吹吸(Blowing and Suction)技术以及利用智能材料进行边界层扰动干预的最新进展。 第三部分:多相流动的基本分类与热力学基础 (Fundamentals of Multiphase Flows) 多相流是化工、石油天然气和环保工程的核心领域。本部分构建了分析多相流动的理论基石。 章节重点包括: 1. 相间界面与输运方程: 探讨了界面张力、润湿性对系统宏观行为的控制作用。详细推导了适用于不同尺度的相间质量、动量和能量守恒方程。 2. 气泡动力学与液滴破碎/聚并: 深入分析了气液两相流中气泡的上升速度、形状演化(如Taylor气泡)、以及在强剪切场中液滴的拉伸、破碎和聚并过程。 3. 非平衡态热力学在多相流中的应用: 引入了相变速率的动力学模型,如基于Clausius-Clapeyron关系的蒸发/凝结模型,并讨论了相间热交换的精确计算方法。 第四部分:多相流的宏观建模方法 (Macroscopic Modeling Techniques for Multiphase Systems) 在宏观尺度上对多相流进行模拟,需要选择合适的尺度和模型框架。 章节重点包括: 1. 欧拉-欧拉(Euler-Euler)模型: 作为最常用的均质化模型,本书对其曳力、阻力、升力和虚拟质量力等相间耦合项进行了全面回顾和批判性评估,特别是针对高速和非均匀流场中的修正模型。 2. 欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)模型: 侧重于颗粒跟踪(Particle Tracking Velocimetry, PTV)和离散相模型(DPM)。详细分析了颗粒与流体之间的动量交换,并讨论了模型中碰撞模型(如Hard-Sphere Model, Bocca-Shen Model)的选择对模拟结果的敏感性。 3. 相场法(Phase-Field Method)与自由界面方法: 针对需要精确捕捉瞬态界面演化的系统(如喷雾、乳化),系统介绍了相场方程的构造、能量泛函的定义以及时间积分方案的稳定性要求。 第五部分:高级计算流体力学(CFD)技术 (Advanced Computational Fluid Dynamics Techniques) 本部分将理论模型转化为可操作的数值算法,是连接理论与工程实践的桥梁。 章节重点包括: 1. 高阶空间离散化方案: 详细介绍了有限体积法(FVM)的高阶扩展,如高分辨率格式(MUSCL、ENO/WENO)在处理激波和高梯度区域时的鲁棒性与精度权衡。 2. 时间推进算法的稳定性与精度: 对隐式、半隐式和显式时间积分方案(如Runge-Kutta族)进行了深入对比,并讨论了湍流模型求解器中对代数收敛性的处理(如SIMPLE/PISO族算法的改进)。 3. 网格生成与自适应网格技术(AMR): 探讨了非结构化网格的生成质量评估标准,并重点讲解了基于残差或物理量梯度的动态网格加密与解密策略在模拟复杂流动中的应用。 第六部分:专业应用案例研究 (Case Studies in Specialized Applications) 最后一部分通过三个具有挑战性的实际案例,展示前述理论与方法的综合应用。 1. 燃气轮机燃烧室的湍流燃烧模拟: 结合反应流模型(如涡流火焰模型FGM)与 LES 技术,分析火焰的稳定性、污染物(NOx, CO)的生成机理与抑制策略。 2. 海洋深水立管的流固耦合(FSI): 建立流体力学模型与结构动力学模型的耦合框架,研究高雷诺数下涡激振动(VIV)对海洋结构的安全影响,并评估钝体周围的尾流锁定现象。 3. 气固流化床反应器的多尺度建模: 利用 DPM 结合 RANS 模拟宏观流型,并讨论如何通过引入气泡动力学模型来修正床层均匀性预测的准确性。 本书特色 理论与实践的深度融合: 每章末尾均附有“数值实现要点”和“工程洞察”栏目,直接点明关键模型的计算实现难点和实际工程中的限制。 面向前沿的覆盖面: 确保了湍流模拟(LES/DNS)和多相流建模(欧拉-欧拉、相场法)的最新发展均被纳入。 严格的数学推导: 书中所有核心方程的推导都力求完整和清晰,为读者深入理解模型内在假设提供了坚实的数学基础。 本书是流体力学领域研究生课程的理想教材,也是从事燃烧、环境、航空航天等领域流体力学建模与仿真的专业人士必备的参考工具书。它将引导读者从掌握基础工具迈向创造解决复杂工程问题的能力。

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这本书最大的价值,我认为在于它对实际工程问题的映射和指导能力。理论固然重要,但如果不能指导实践,那终究是空中楼阁。这本书在这方面做得极其到位,它没有将理论和应用割裂开来,而是巧妙地将各种数值技巧与实际遇到的工程挑战联系起来。比如,当讨论刚性系统(Stiff Systems)的处理时,作者不仅仅给出了隐式方法,还结合了流体力学或化学动力学中的具体算例,分析了为什么显式方法会在这里失效,以及如何通过选择合适的步长和迭代策略来获得可靠的解。这种紧密的结合,让我在解决自己项目中的难题时,能够快速地找到理论支持和具体的操作指导,简直是救星般的存在。

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这本书的装帧和排版真的让我眼前一亮,那种沉稳而专业的视觉感受,光是捧在手里就能感觉到它蕴含的深厚学术底蕴。纸张的质感非常出色,厚实且不易反光,即便是长时间在台灯下阅读那些密密麻麻的公式和图表,眼睛也不会感到特别疲劳,这对于需要精读的教材来说简直是福音。内容组织上,作者显然是花了大心思的,章节之间的逻辑衔接非常自然流畅,从基础概念的引入,到复杂算法的推导,每一步都像是精心设计的阶梯,引导读者稳步攀升。我尤其欣赏它对历史背景和理论基础的详尽阐述,这不仅仅是罗列公式,而是让你理解这些方法是如何一步步发展和完善起来的,这种“知其然,更知其所以然”的教学方式,极大地增强了学习的深度和趣味性。

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从教学法和辅助材料的角度来看,这本书的配套资源简直是教科书级别的典范。作者似乎非常理解初学者在面对大量抽象概念时的困惑,因此在关键的算法介绍后,总是会附带清晰的伪代码。这些伪代码写得极其规范,变量命名清晰,流程控制明确,使得读者能够非常容易地将其转化为 C++ 或 Python 等主流编程语言的代码实现。更妙的是,书中还收录了大量高质量的习题,这些习题的难度设置非常有层次感,从基础的理解题到需要独立设计算法的挑战题都有覆盖。我感觉,如果一个学生能扎扎实实地完成书中的大部分练习,那么他在这个领域的掌握程度绝对可以达到准专业人士的水平。

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坦白讲,这本书的阅读体验并非一帆风顺,它对读者的预备知识要求相当高。如果你没有扎实的微积分基础、线性代数知识以及对基本数值分析概念的清晰认识,那么初次接触可能会感到非常吃力。一些章节的推导过程跳跃性略大,特别是涉及到某些复杂迭代格式的收敛性证明时,需要反复阅读才能完全消化。它更像是一部为研究生或高年级本科生量身定制的“武功秘籍”,而不是一本轻松的入门读物。因此,我建议那些想通过它快速了解皮毛的人要三思,但对于那些立志于深入研究常微分方程数值求解这一领域,并愿意投入时间和精力去攻克难关的求知者来说,这本书绝对是不可或缺的经典之作。

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我不得不说,这本书在理论深度上达到了一个相当令人敬佩的高度。它不仅仅停留在应用层面讲解如何使用现有的数值工具箱,而是深入挖掘了背后的数学原理和误差分析。作者在处理收敛性、稳定性和精度这三大核心问题时,所展现出的严谨性和洞察力,远超我以往接触过的许多教材。书中对于各种高级方法的讨论,比如高阶 Runge-Kutta 方法的优化、线性多步法的稳定区域分析,都处理得非常透彻,每一个证明都步步为营,让人不得不佩服作者扎实的数学功底。对于希望真正掌握 ODE 数值求解精髓的研究人员来说,这本书无疑是一本可以反复研读的参考书,它提供的理论框架足够坚固,足以支撑起更高阶的研究探索。

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