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格子Boltzmann方法的理论及应用


作者:
何雅玲 李庆 王勇 童自翔 编著
定价:
40.00 元
版面字数:
460.00千字
开本:
16开
装帧形式:
假精装
页数:
304
最新
印次时间:
2025年12月
ISBN:
978-7-04-059357-0
物料号:
59357-00
出版时间:
2023年1月
读者对象:
高等教育
一级分类:
机械/能源类
二级分类:
能源动力类专业核心课
三级分类:
热工基础

格子Boltzmann方法自20世纪80年代被提出后,受到了国内外众多学者的关注,在理论和应用研究等方面都迅速发展,并逐渐成为相关领域国际研究的热点之一。本书结合作者近二十年在相关科研实践中的体会和所积累的经验,通过采取“基础理论 + 应用基础模型 + 应用案例”的递进模式,系统地介绍了格子Boltzmann方法的基本概念、基础理论、应用基础模型、边界处理、网格划分、数值实施以及应用等,并配以典型的算例和程序代码,以帮助读者快速掌握该方法。在呈现方式上,本书增加了可扫码查看的数字资料,激发读者的学习兴趣,增强学习效果。

本书适用于高等学校研究生,以及科研单位的工程技术人员和研究人员,可作为能源动力、机械、数学、物理及生物工程等大类专业的计算流体力学与计算传热学课程的教材或参考用书,也可供相关技术人员参考。

  • 目录
    • 前辅文
      • 第1章 绪论
        • 1.1 计算流体力学与计算传热学
          • 1.2 格子Boltzmann方法发展历程
            • 1.2.1 孕育
              • 1.2.2 诞生
                • 1.2.3 基础理论体系的构筑期
                  • 1.2.4 深入发展期
                  • 1.3 本书的目的和内容
                    • 1.3.1 本书目的
                      • 1.3.2 本书内容
                      • 参考文献
                      • 第2章 流体力学基本方程
                        • 2.1 连续介质假设
                          • 2.2 雷诺输运方程
                            • 2.3 连续性方程
                              • 2.4 动量方程
                                • 2.4.1 牛顿流体的本构方程
                                  • 2.4.2 Navier-Stokes方程
                                  • 2.5 能量方程
                                    • 2.5.1 总能方程
                                      • 2.5.2 热力学能方程
                                        • 2.5.3 其他形式的能量方程
                                        • 2.6 小结
                                          • 习题
                                            • 参考文献
                                            • 第3章 格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型
                                              • 3.1 Boltzmann方程
                                                • 3.2 Maxwell分布及Boltzmann H定理
                                                  • 3.2.1 Maxwell分布
                                                    • 3.2.2 H定理
                                                    • 3.3 Maxwell输运方程及宏观量守恒方程组
                                                      • 3.4 从Boltzmann方程到格子Boltzmann方程
                                                        • 3.4.1 BGK近似
                                                          • 3.4.2 格子Boltzmann方程
                                                          • 3.5 格子Boltzmann方法的基本模型
                                                            • 3.5.1 D2Q9模型平衡态分布函数的确定
                                                              • 3.5.2 ChapmanEnskog展开
                                                              • 3.6 多松弛格子Boltzmann模型
                                                                • 3.6.1 基本原理
                                                                  • 3.6.2 正交多松弛模型
                                                                    • 3.6.3 非正交多松弛模型
                                                                      • 3.6.4 多松弛模型的ChapmanEnskog展开
                                                                      • 3.7 中心矩格子Boltzmann模型
                                                                        • 3.7.1 早期模型
                                                                          • 3.7.2 改进的中心矩模型
                                                                          • 3.8 格子Boltzmann方法的作用力格式
                                                                            • 3.8.1 He-Shan-Doolen格式
                                                                              • 3.8.2 Guo-Zheng-Shi格式
                                                                                • 3.8.3 ExactDifferenceMethod格式
                                                                                  • 3.8.4 多松弛模型的作用力格式
                                                                                    • 3.8.5 中心矩模型的作用力格式
                                                                                    • 3.9 小结
                                                                                      • 习题
                                                                                        • 参考文献
                                                                                        • 第4章 单相流动与传热的格子Boltzmann模型
                                                                                          • 4.1 不可压缩等温格子Boltzmann模型
                                                                                            • 4.1.1 定常不可压缩模型
                                                                                              • 4.1.2 He-Luo模型
                                                                                                • 4.1.3 D2G9模型
                                                                                                • 4.2 基于温度分布函数的热格子Boltzmann模型
                                                                                                  • 4.3 基于热力学能分布函数的热格子Boltzmann模型
                                                                                                    • 4.3.1 标准的热力学能分布函数模型
                                                                                                      • 4.3.2 简化的热力学能分布函数模型
                                                                                                      • 4.4 基于总能分布函数的热格子Boltzmann模型
                                                                                                        • 4.5 可压缩流动的耦合双分布函数模型
                                                                                                          • 4.5.1 基本原理
                                                                                                            • 4.5.2 二维模型
                                                                                                              • 4.5.3 三维模型
                                                                                                              • 4.6 小结
                                                                                                                • 习题
                                                                                                                  • 参考文献
                                                                                                                  • 第5章 气液两相流格子Boltzmann模型
                                                                                                                    • 5.1 稠密流体的平均场动理论
                                                                                                                      • 5.2 自由能格子Boltzmann模型
                                                                                                                        • 5.2.1 热力学理论及Swift自由能模型
                                                                                                                          • 5.2.2 热力学一致性
                                                                                                                            • 5.2.3 改进的自由能模型
                                                                                                                              • 5.2.4 接触角格式
                                                                                                                              • 5.3 伪势格子Boltzmann模型
                                                                                                                                • 5.3.1 Shan-Chen模型
                                                                                                                                  • 5.3.2 实现热力学一致性的Li-Luo-Li方法
                                                                                                                                    • 5.3.3 表面张力
                                                                                                                                      • 5.3.4 接触角格式
                                                                                                                                        • 5.3.5 多组分伪势模型简介
                                                                                                                                        • 5.4 颜色梯度格子Boltzmann模型
                                                                                                                                          • 5.4.1 基本原理
                                                                                                                                            • 5.4.2 表面张力
                                                                                                                                              • 5.4.3 伽利略不变性
                                                                                                                                                • 5.4.4 接触角格式
                                                                                                                                                • 5.5 相场格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                  • 5.5.1 相场理论
                                                                                                                                                    • 5.5.2 早期模型
                                                                                                                                                      • 5.5.3 大密度比模型
                                                                                                                                                        • 5.5.4 接触角格式
                                                                                                                                                        • 5.6 小结
                                                                                                                                                          • 习题
                                                                                                                                                            • 参考文献
                                                                                                                                                            • 第6章 流固两相流模型及固液相变格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                              • 6.1 流固两相流格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                                • 6.1.1 基本原理
                                                                                                                                                                  • 6.1.2 动量交换法的修正
                                                                                                                                                                    • 6.1.3 再填充格式
                                                                                                                                                                      • 6.1.4 颗粒间相互作用力
                                                                                                                                                                      • 6.2 固液相变格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                                        • 6.2.1 固液相变简介
                                                                                                                                                                          • 6.2.2 相场模型概述
                                                                                                                                                                            • 6.2.3 焓法模型
                                                                                                                                                                              • 6.2.4 固液相界面的边界处理
                                                                                                                                                                              • 6.3 小结
                                                                                                                                                                                • 习题
                                                                                                                                                                                  • 参考文献
                                                                                                                                                                                  • 第7章 多孔介质流动与传热的格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                                                    • 7.1 表征体元尺度格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                                                      • 7.1.1 REV尺度流动与传热的控制方程
                                                                                                                                                                                        • 7.1.2 REV尺度多孔介质流动的格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                                                          • 7.1.3 REV尺度多孔介质传热的格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                                                          • 7.2 孔隙尺度格子Boltzmann模拟
                                                                                                                                                                                            • 7.2.1 多孔介质孔隙结构的重构与生成
                                                                                                                                                                                              • 7.2.2 孔隙尺度模拟中的边界处理
                                                                                                                                                                                              • 7.3 多孔介质固液相变格子Boltzmann模型
                                                                                                                                                                                                • 7.3.1 孔隙尺度
                                                                                                                                                                                                  • 7.3.2 REV尺度
                                                                                                                                                                                                  • 7.4 小结
                                                                                                                                                                                                    • 习题
                                                                                                                                                                                                      • 参考文献
                                                                                                                                                                                                      • 第8章 格子Boltzmann方法的边界处理
                                                                                                                                                                                                        • 8.1 节点设置方式
                                                                                                                                                                                                          • 8.2 启发式格式
                                                                                                                                                                                                            • 8.2.1 周期性边界处理格式
                                                                                                                                                                                                              • 8.2.2 对称边界处理格式
                                                                                                                                                                                                                • 8.2.3 充分发展边界处理格式
                                                                                                                                                                                                                  • 8.2.4 半步长反弹格式
                                                                                                                                                                                                                    • 8.2.5 镜面反射格式
                                                                                                                                                                                                                    • 8.3 动力学格式
                                                                                                                                                                                                                      • 8.3.1 非平衡态反弹格式
                                                                                                                                                                                                                        • 8.3.2 反滑移格式
                                                                                                                                                                                                                          • 8.3.3 质量修正格式
                                                                                                                                                                                                                          • 8.4 外推格式
                                                                                                                                                                                                                            • 8.4.1 Chen格式
                                                                                                                                                                                                                              • 8.4.2 非平衡态外推格式
                                                                                                                                                                                                                              • 8.5 复杂边界处理格式
                                                                                                                                                                                                                                • 8.5.1 Filippova-Hnel格式及其改进形式
                                                                                                                                                                                                                                  • 8.5.2 Bouzidi格式
                                                                                                                                                                                                                                    • 8.5.3 Guo格式
                                                                                                                                                                                                                                      • 8.5.4 质量损失及修正格式
                                                                                                                                                                                                                                      • 8.6 温度边界处理格式
                                                                                                                                                                                                                                        • 8.7 小结
                                                                                                                                                                                                                                          • 习题
                                                                                                                                                                                                                                            • 参考文献
                                                                                                                                                                                                                                            • 第9章 格子Boltzmann方法的网格技术
                                                                                                                                                                                                                                              • 9.1 标准格子Boltzmann方法
                                                                                                                                                                                                                                                • 9.2 插值格子Boltzmann方法
                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.2.1 直角坐标系中的插值
                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.2.2 曲线坐标系中的插值
                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.3 泰勒展开和最小二乘格子Boltzmann方法
                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.3.1 泰勒级数展开
                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.3.2 最小二乘法优化
                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.3.3 讨论
                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.4 有限差分格子Boltzmann方法
                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.4.1 时间离散
                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.4.2 空间离散
                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.4.3 讨论
                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.5 有限容积格子Boltzmann方法
                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.5.1 结构化网格
                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.5.2 非结构化网格
                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.6 有限元格子Boltzmann方法
                                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.7 多块网格
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.8 多重网格
                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.9 小结
                                                                                                                                                                                                                                                                            • 习题
                                                                                                                                                                                                                                                                              • 参考文献
                                                                                                                                                                                                                                                                              • 第10章 格子Boltzmann方法的应用
                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.1 封闭方腔自然对流
                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.1.1 物理模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.1.2 模拟结果及分析
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.2 Rayleigh-Bénard对流
                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.2.1 物理模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.2.2 模拟结果及分析
                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.3 激波模拟
                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.3.1 Riemann问题模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.3.2 Riemann问题的物理模型及模拟结果
                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.3.3 双马赫反射问题的物理模型及模拟结果
                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.4 声波衰减
                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.4.1 物理模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.4.2 模拟结果及分析
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.5 池沸腾中的气泡成核与生长
                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.5.1 亚稳态
                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.5.2 气液界面
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.5.3 格子Boltzmann模拟及分析
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.6 泡沫金属内相变材料熔化问题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.7 小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 参考文献
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 附录
                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 附录A 笛卡儿张量的基本知识
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • A.1 标量、矢量与张量
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • A.2 张量的表示法及爱因斯坦求和约定
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • A.3 克罗内克符号
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • A.4 对称张量与反对称张量
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • A.5 二阶张量的代数运算
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • A.6 张量的微分和积分运算
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 附录B 格子张量
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • B.1 正多边形格子张量的性质及基本粒子速度模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • B.2 常用离散速度模型及其张量计算
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 附录C 单位转换
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • C.1 参考量与单位转换
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • C.2 算例
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 附录D 顶盖驱动流的格子Boltzmann模拟
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • D.1 物理模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • D.2 程序变量表及源程序
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • D.3 数值模拟结果
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 附录E 基于伪势多相模型的相分离格子Boltzmann模拟
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • E.1 问题描述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • E.2 程序变量表及源程序
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • E.3 数值模拟结果
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 附录F 主题索引(中英文对照)
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 参考文献

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              相关图书