計算多物理場-有限體積方法應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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明平劍，張文平 著

圖書標籤:

• 計算物理
• 多物理場
• 有限體積法
• 數值模擬
• 流體力學
• 傳熱學
• 結構力學
• CFD
• 科學計算
• 工程分析

齣版社： 北京航空航天大學齣版社

ISBN：9787512414013

版次：1

商品編碼：11761079

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2015-09-01

用紙：膠版紙

頁數：196

內容簡介

計算多物理場-有限體積方法應用
根據作者多年從事數值計算的經驗和開展計算多物理場教學的體會而編寫，盡量避免復雜的數學理論推導，側重數值計算實現的方式、方法；作為多物理場計算程序開發的教材，滿足當前多場耦閤計算技術教學的需要，內容盡量涵蓋近年來多物理場方麵研究的最新進展。全書共分9章，前5章為數值計算基本方法，包括基本控製方程、網格生成、離散方法基礎以及代數方程組求解；後4章為耦閤計算方法，包括熱流耦閤、流聲耦閤、結構聲耦閤以及熱應力耦閤計算方法。
本書內容豐富，涉及多種物理場耦閤模擬方法。它可以作為高等院校動力工程及工程熱物理、輪機工程等專業的研究生教材，也可以供相關專業的教師、科研人員和工程技術人員參考。

目錄

第1章　緒　論
1.1　計算多物理場應用
1.1.1　熱應力耦閤
1.1.2　結構聲耦閤
1.1.3　流聲耦閤
1.2　數值方法的組成部分
1.2.1　數學模型
1.2.2　離散方法
1.2.3　坐標及嚮量係統
1.2.4　數值網格
1.2.5　有限近似
1.2.6　求解過程
1.2.7　收斂標準
1.3　數值求解方法的性質
1.3.1　一緻性
1.3.2　穩定性
1.3.3　收斂性
1.3.4　守恒性
1.3.5　有界性
1.3.6　可靠性
1.3.7　精確性
1.4　離散方法
1.4.1　有限差分法
1.4.2　有限元法
1.4.3　有限體積法
參考文獻
第2章　物理問題的數學模型
2.1　連續介質定義
2.2　連續介質力學
2.2.1　質量守恒方程
2.2.2　動量守恒方程
2.2.3　能量守恒方程
2.3　流體動力學基本方程
2.4　固體動力學基本方程
2.5　流體中的聲波方程
2.6　各嚮同性彈性體中的應力波方程
2.7　狀態方程
2.8　基本數學公式
參考文獻

前言/序言

隨著製造業數字化時代的到來，軟件的重要性日趨顯現，並起著舉足輕重的作用，計算科學發展成為影響國傢利益與國傢安全的戰略性問題。一些國傢將計算機建模與仿真列為優先發展的服務於國傢利益的關鍵技術。有國內學者指齣，應將自主CAE軟件的開發提高到戰略發展的高度。關於計算多物理場方法及軟件開發的相關著作較少，因此作者及團隊在多年研究和積纍的基礎上撰寫瞭本教材。本教材最初為團隊內從事軟件開發的研究生培訓材料，2011年開始在哈爾濱工程大學內為研究生開設計算多物理場課程，並形成初稿。
一般來說，物理現象中各種作用都不是單獨存在的，物理係統的耦閤就是我們所說的多物理場相互作用，其分析比單獨一個物理場要復雜得多。常見的耦閤問題有熱流耦閤、流固耦閤、熱應力耦閤、結構聲耦閤、流聲耦閤等。物理係統中每增加一個耦閤的物理場，就意味著數值計算時增加一個或多個未知的物理變量，同樣的離散條件下，自由度數將會擴大。20世紀90年代以前，由於計算機資源的缺乏，多物理場模擬僅僅停留在理論階段，仿真建模也局限於單個物理場，最常見的是力學、傳熱、流體以及電磁場模擬。經過數十年的努力，計算科學的發展為我們提供瞭更靈巧、更簡潔而又更快速的算法，強勁的硬件配置，使得對多物理場的模擬成為可能。新興的有限體積方法為多物理場分析提供瞭一個新的機遇，滿足瞭工程師對真實物理係統的求解需要。以流固耦閤來說，它是流體力學與固體力學兩者之間相互作用産生的，其研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場的影響。
多物理場耦閤計算方法是一門交叉學科，到目前為止，還未見到相關的教材。本教材盡量避免復雜的數學理論推導，側重數值計算實現的方式、方法；作為多物理場計算程序開發教材，它可滿足當前多場耦閤計算技術教學的需要，內容盡量涵蓋近年來多物理場方麵研究的最新進展。
全書共分9章，前5章為數值計算基本方法，包括基本控製方程、網格生成、離散方法基礎以及代數方程組求解；後4章為耦閤計算方法，包括熱流耦閤、流聲耦閤、結構聲耦閤以及熱應力耦閤計算方法。
本書的齣版得到瞭工業和信息化部“十二五”規劃教材齣版基金的資助，同時部分內容由國傢自然科學基金(51206031、51479038)、國庫基本科研業務費(HEUCF100307、HEUCF130302)等項目資助完成，在此深錶謝意！作者還要特彆感謝倪大明博士、宣領寬博士和龔京風博士在流聲耦閤、聲固耦閤以及熱應力耦閤計算方法研究方麵開展的相關工作。感謝團隊中已畢業及在讀的研究生為本書的齣版付齣的辛勤勞動！
由於計算多物理場涉及多個學科，計算方法發展速度較快，編寫內容難免掛一漏萬；另外，作者學識水平有限，書中難免齣現謬誤和不妥之處，懇請讀者及同行批評指正。
明平劍
於哈爾濱工程大學
2015年4月

好的，以下是一份不包含“計算多物理場-有限體積方法應用”這一特定主題的、詳盡的圖書簡介，旨在介紹一個關於高級數值方法及其在工程仿真中的應用的綜閤性著作。 --- 圖書名稱：現代工程仿真與先進離散技術：從基礎理論到前沿實踐 內容導覽：跨越學科壁壘的計算範式革新 本書深入探討瞭現代工程領域中，為解決復雜物理現象和係統行為所必需的高級數值計算方法。它旨在為研究生、科研人員以及緻力於提升工業仿真精度的工程師提供一套係統化、貫穿理論推導至實際編程實現的知識體係。全書聚焦於處理那些傳統解析方法無法企及的、具有高度非綫性和多尺度特徵的工程難題。 第一部分：數值計算的基石與理論基礎 本部分是理解後續高級模型的邏輯起點，重點梳理瞭支撐現代仿真軟件的數學框架和離散化基礎。 第一章：工程問題的數學建模與挑戰 本章首先界定瞭什麼是“工程問題”的數學描述，涵蓋瞭從經典守恒定律（如質量、動量、能量）到本構關係（材料響應）的轉化過程。重點分析瞭現有模型中常見的挑戰，例如奇異性、復雜邊界條件、高頻振蕩現象以及跨尺度的耦閤效應。詳細闡述瞭偏微分方程（PDEs）的分類——橢圓型、拋物型和雙麯型——及其在不同物理背景下的具體體現，例如熱傳導、流體力學和結構力學中的核心方程組。 第二章：離散化方法的理論迴顧與比較 雖然本書的核心不在於某一特定離散方法，但本章係統迴顧瞭主流的數值求解框架。首先對有限差分法 (FDM) 進行瞭嚴謹的誤差分析，重點討論瞭其在處理不規則幾何體時的局限性。接著，深入剖析瞭有限元方法 (FEM) 的變分原理基礎，特彆是伽遼金方法（Galerkin Method）的收斂性證明和插值基函數的選擇對解的精度和穩定性的影響。此外，本章也引入瞭處理非結構化網格和動態問題的譜方法 (Spectral Methods) 的基本思想，為後續的復雜計算做鋪墊。強調瞭網格質量（Mesh Quality）對最終計算結果的決定性作用。 第二部分：核心計算模塊的深度解析 本部分是本書的技術核心，詳細分解瞭處理不同物理領域所需的高級算法和實現細節。 第三章：不可壓縮流體動力學的先進求解器 本章專注於處理納維-斯托剋斯方程（Navier-Stokes Equations）。重點探討瞭如何應對流體計算中最具挑戰性的壓力-速度耦閤問題。詳細介紹並對比瞭 SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations） 及其變體（如PISO、SIMPLEC）的迭代策略。對於高雷諾數流動，本章闡述瞭大渦模擬（LES） 和雷諾平均納維-斯托剋斯（RANS） 模型，特彆是湍流模型（如$k-epsilon, k-omega$ SST）的物理假設、輸運方程的離散化技術，以及如何確保速度場無散性（Divergence-Free Constraint）的數值約束。 第四章：固體力學中的非綫性與大變形分析 本章側重於結構響應的復雜性，尤其是在材料屈服、接觸和幾何非綫性共同作用下的情況。對於幾何非綫性（大位移、大轉動），本章詳細推導瞭更新後的拉格朗日（Updated Lagrangian） 和總拉格朗日（Total Lagrangian） 描述下的平衡方程，並引入瞭弧長法（Arc-Length Methods） 來追蹤載荷-位移路徑上的失穩點。材料非綫性部分，重點討論瞭彈塑性本構關係的數值積分，如歐拉前嚮算法和隱式積分方案，並分析瞭應力更新算法（Stress-Update Algorithms）的穩定性。 第五章：高效綫性代數求解器與並行化策略 任何大規模仿真都離不開高效的綫性係統求解。本章脫離物理建模，專注於求解器技術。詳細分析瞭直接法（如LU分解）在處理大規模稀疏矩陣時的內存瓶頸。重點介紹並對比瞭迭代法，特彆是基於Krylov子空間的方法，如GMRES、BiCGSTAB。對於橢圓型方程組的預處理技術（Preconditioning），係統性地介紹瞭代數多重網格（AMG） 和不完全LU分解（ILU） 的構建流程和適用場景。最後，闡述瞭如何利用MPI/OpenMP 框架，將求解器並行化，實現跨多核架構的加速計算。 第三部分：先進耦閤、優化與應用擴展 本部分將焦點從單個物理場擴展到多域交互，並探討瞭如何將仿真工具集成到工程設計流程中。 第六章：多場耦閤的橋接技術 工程實踐中，許多現象是多物理場相互作用的結果（如熱緻膨脹、流固耦閤）。本章深入探討瞭耦閤仿真的核心策略。詳細區分瞭強耦閤（Strong Coupling） 和弱耦閤（Weak Coupling） 方案的適用性。對於流固耦閤（FSI），重點分析瞭兩種主要的接口處理技術：單嚮映射與迭代，以及雙嚮浸入式（Monolithic） 框架。討論瞭不同場之間數據傳遞時的插值誤差控製和時間步長匹配策略。 第七章：數據驅動的仿真與參數辨識 本章將計算仿真與現代數據科學相結閤。引入瞭反問題求解的概念，探討如何利用實驗數據校準或辨識模型中的未知參數（如材料參數或邊界條件）。詳細介紹瞭梯度計算方法，包括伴隨方法（Adjoint Method）在優化大規模係統響應梯度時的優勢。此外，對基於代理模型（Surrogate Models）的快速仿真方法，如降階模型（Reduced-Order Models, ROMs） 的構建流程進行瞭技術性闡述。 第八章：麵嚮高性能計算（HPC）的軟件工程實踐 本書最後聚焦於將理論轉化為可靠工程工具的實踐層麵。討論瞭選擇恰當的數據結構（如麵嚮對象的網格管理、鄰接數據結構）對內存訪問效率的關鍵影響。強調瞭代碼的模塊化、可維護性和可擴展性設計原則。涵蓋瞭如何使用高效的BLAS/LAPACK庫，並介紹瞭調試復雜並行代碼的常用工具和方法，確保仿真結果的可重復性與可信度。 --- 本書特色： 本書摒棄瞭對特定離散格式的偏愛，而是以一種跨平颱、跨領域的視角，深入剖析瞭驅動現代仿真技術的核心算法原理、收斂性分析和高性能實現策略。每一章節都提供清晰的數學推導和對實際工程限製的深刻洞察，旨在培養讀者獨立構建和優化復雜數值求解器的能力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容深度和廣度都令人印象深刻。作者在講解有限體積方法的同時，並沒有局限於理論推導，而是大量引用瞭實際工程問題作為案例。他對於熱傳導、流體流動、結構變形、電磁效應等多個物理領域的處理都進行瞭詳細的論述，並且重點講解瞭如何將這些不同領域的方程耦閤起來，然後用有限體積方法進行求解。讓我感到特彆有啓發的是，他對於如何進行網格劃分和邊界條件設置的講解。在多物理場仿真中，網格質量和邊界條件的準確性往往直接影響到計算結果的可靠性。他詳細介紹瞭不同類型的網格，以及它們在不同物理場中的適用性，還給齣瞭如何根據物理現象的特點來優化網格的建議。對於邊界條件，他不僅列舉瞭常見的迪利剋雷邊界條件和諾伊曼邊界條件，還詳細講解瞭如何處理耦閤邊界上的物理量傳遞，例如，在流固耦閤中，界麵上的力載荷和位移如何在流體和固體域之間傳遞。書中還探討瞭一些高級話題，比如如何處理非綫性耦閤、如何進行並行計算以加速仿真過程，以及如何進行網格自適應以提高局部精度。這些內容對於我深入理解多物理場仿真的高級技巧非常有價值。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計相當樸實，沒有華麗的插圖，隻有紮實的文字和清晰的標題，這本身就傳遞瞭一種專注於內容的信號。翻開第一頁，迎麵而來的是一種嚴謹的學術氛圍，作者似乎是一位在多物理場仿真領域深耕多年的專傢。我特彆欣賞他在引言部分對於“多物理場”概念的闡釋，他並沒有簡單地羅列幾個常見的耦閤場，而是深入剖析瞭不同物理場之間相互作用的本質，以及在工程實際中這種耦閤的必要性和復雜性。他提到，很多看似獨立的物理現象，在微觀層麵或特定條件下，卻可能存在著韆絲萬縷的聯係，例如熱應力、流固耦閤、電磁熱耦閤等，而這些現象往往無法通過單一的物理模型來準確描述。他以幾個經典的工程案例為例，生動地說明瞭理解和模擬這些多物理場耦閤對於優化設計、提高性能、甚至預測潛在風險的重要性。例如，在航空航天領域，發動機葉片的溫度分布和機械應力是相互影響的；在微電子器件的設計中，功耗産生的熱量會影響器件的電學性能，進而影響其可靠性。書中通過對這些案例的剖析，讓讀者深刻認識到，脫離瞭多物理場耦閤的分析，很可能導緻結論的偏差，甚至帶來災難性的後果。作者的語言雖然嚴謹，但並不晦澀，他善於用比喻和類比來解釋抽象的概念，這對於初學者來說是極大的幫助。他強調瞭數學模型的重要性，但同時也指齣，模型隻是工具，理解物理本質纔是核心。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我最大的感受是，它不僅僅是一本技術手冊，更像是一位經驗豐富的導師在循循善誘。作者在書中反復強調，數值模擬的最終目的是為瞭解決實際工程問題，而不是為瞭炫技。他鼓勵讀者要深入理解物理現象的本質，要清楚地知道自己在求解什麼，以及數值結果的意義何在。他對於誤差分析和收斂性判定的講解非常細緻，並且給齣瞭實用的建議，例如如何通過網格細化和時間步長減小來評估計算結果的可靠性。我特彆喜歡書中關於“模型驗證”的部分，他強調瞭數值結果與實驗數據或解析解的對比的重要性，並且指導讀者如何進行有效的模型驗證。在他看來，一個有效的數值模型，應該能夠在多個工況下都給齣可靠的預測。此外，書中還涉及瞭一些關於數值穩定性分析的內容，這對於避免數值震蕩和保證計算的順利進行至關重要。他通過一些簡單的例子，清晰地解釋瞭數值不穩定性的來源，以及如何通過調整數值格式或參數來提高穩定性。這本書的語言風格非常接地氣，即使是對於一些復雜的概念，作者也能用清晰易懂的語言來解釋，讓我感覺學習的過程是輕鬆而愉快的。

評分☆☆☆☆☆

我之前閱讀過一些關於數值模擬的書籍，但大部分都偏重於某一特定領域的講解，比如流體力學或者結構力學。這本書的齣現，可以說是在我知識體係中填補瞭一個重要的空白。作者在書中並沒有迴避多物理場模擬的復雜性，反而非常坦誠地指齣瞭其中的難點，比如如何有效地處理不同物理場之間的耦閤方程組，如何保證數值解的穩定性和精度，以及如何選擇閤適的離散格式和求解器。我印象特彆深刻的是，他詳細闡述瞭有限體積方法在處理這些復雜耦閤問題上的優勢。他從基本原理齣發，一步步推導齣適用於不同物理守恒律的離散方程，並重點介紹瞭在非結構網格上的實現細節。他對於守恒性和局部精度的關注，以及在處理界麵耦閤時的技巧，都讓我受益匪淺。我特彆贊賞他關於“通量匹配”的講解，這對於保證多物理場耦閤的物理一緻性至關重要。書中還包含瞭一些實際的算法流程圖和僞代碼，這對於我將理論知識轉化為實際編程非常有指導意義。而且，書中提到的離散方法和求解策略，不僅僅局限於有限體積法，也兼容瞭許多其他的數值方法，這使得這本書具有更廣泛的適用性。我感覺自己仿佛站在瞭巨人的肩膀上，能夠更清晰地看到多物理場仿真的全貌。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我帶來的不僅僅是知識的增益，更是一種思維方式的啓發。作者在書中對有限體積方法的介紹，並非止步於理論層麵，而是將它與多物理場問題的求解緊密結閤，展現瞭其強大的普適性和靈活性。他對於不同物理場之間耦閤的深入剖析，讓我意識到，許多工程問題並非孤立存在，而是多方麵因素相互作用的結果。這本書的價值在於，它提供瞭一個係統性的框架，指導讀者如何將復雜的物理現象分解，然後用統一的數值方法來求解。我特彆欣賞作者在書中對於“模型簡化”的討論。他指齣，在實際工程中，並非所有物理細節都必須被完全模擬，適當的模型簡化可以大大降低計算成本，同時又不影響結果的準確性。他提供瞭判斷模型簡化閤理性的依據，以及如何評估簡化帶來的影響。書中還觸及瞭一些關於“後處理”的技巧，例如如何從大量的數值數據中提取有用的信息，如何進行可視化展示，以及如何將數值結果轉化為工程決策。這讓我認識到，數值模擬的整個流程，從建模到後處理，都充滿瞭智慧和技巧。總而言之，這本書讓我對多物理場仿真的理解上升到瞭一個新的高度，也激發瞭我對相關領域更深入探索的興趣。

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書不錯

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好，贊~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

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一如既往！！！！！！！

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還可以

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評分☆☆☆☆☆

不錯不錯不錯~~~~~~~~~~~~~~~~

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