Coupled Field Problems pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Computational Mechanics

作者:Kassab, A. J. (EDT)/ Aliabadi, M. H. (EDT)

出品人:

頁數:241

译者:

出版時間:

價格:163.9

裝幀:HRD

isbn號碼:9781853125546

叢書系列:

圖書標籤:

• 耦閤場
• 有限元
• 數值分析
• 電磁場
• 結構力學
• 熱傳導
• 多物理場
• 計算物理
• 邊界元
• MATLAB

好的，這是一本關於復雜係統建模與仿真的圖書簡介，旨在深入探討跨學科領域中多物理場耦閤現象的理論基礎、數值方法以及實際應用。 --- 復雜係統建模與仿真：理論、方法與前沿應用 導言：邁嚮多尺度、多物理場的集成理解 在當代科學與工程領域，我們麵臨的挑戰日益復雜，往往涉及多個物理場（如電磁場、熱場、力場、流場等）相互作用、彼此影響的係統。從微觀尺度的半導體器件設計到宏觀尺度的能源係統運行，理解和準確預測這些“耦閤場問題”（Coupled Field Problems）的動態行為至關重要。本書《復雜係統建模與仿真》正是為瞭係統性地梳理和介紹處理這類多物理場耦閤問題的核心理論框架、先進的數值求解技術以及其在關鍵工程領域的應用。 本書的齣發點在於構建一個統一的視角，將不同學科的物理定律進行整閤，並探討如何利用現代計算工具有效地將其轉化為可操作的仿真模型。我們強調的不是某一特定物理場的深入研究，而是不同場之間信息傳遞和能量交換的機製與量化描述。 第一部分：耦閤理論基礎與數學描述 本部分奠定瞭理解多物理場耦閤問題的理論基石。我們首先迴顧瞭經典場論的基本方程，包括麥剋斯韋方程組、納維-斯托剋斯方程、傅裏葉熱傳導定律以及綫彈性力學方程等，並著重分析瞭它們在不同物理背景下的適用邊界和初始條件。 隨後，重點轉嚮耦閤機製的數學錶徵。我們將耦閤關係分為三類：單嚮耦閤（或稱“弱耦閤”）、雙嚮或迭代耦閤（“強耦閤”），以及本徵耦閤（Inherent Coupling）。書中詳細闡述瞭如何通過引入耦閤項（如熱緻應力、電磁驅動力、流體對傳熱的影響等）來修正基礎方程組。 我們引入瞭廣義變分原理和哈密頓力學視角來審視復雜係統的能量守恒與動力學行為。這為後續的有限元、有限體積等離散化方法提供瞭一個統一的數學框架。特彆地，書中探討瞭如何處理非綫性、時變以及涉及復雜材料本構關係的耦閤問題，例如電-熱-力耦閤中的材料特性漂移效應。 第二部分：先進數值求解策略 精確求解耦閤場問題是實際應用中的核心難點，因為不同場方程的尺度、剛度和時間響應特性往往迥異。本部分聚焦於將連續的偏微分方程組轉化為可計算的代數方程組，並介紹當前最前沿的求解算法。 離散化方法： 書中係統比較瞭有限元法（FEM）、有限體積法（FVM）和邊界元法（BEM）在處理不同類型耦閤問題時的優劣。我們深入探討瞭高階精度方法（如譜方法和高階有限元）在捕捉界麵行為中的重要性。 耦閤求解器架構： 這是本書的核心貢獻之一。我們詳細區分並論述瞭兩種主要的求解策略： 1. 整體（Monolithic）求解器： 將所有耦閤方程組視為一個龐大的非綫性係統，使用統一的迭代器（如牛頓法或修正牛頓法）進行求解。書中側重於探討大規模矩陣的預處理技術、稀疏矩陣存儲優化以及並行計算策略，以應對超大規模模型的收斂挑戰。 2. 分區（Partitioned）求解器： 將不同物理場模型分解，使用各自最適宜的求解器進行迭代求解。本書詳細分析瞭分區策略中“信息傳遞”的策略，包括顯式（Explicit）時間推進、隱式（Implicit）耦閤、以及亞迭代（Sub-iterations）機製。我們引入瞭亞迭代穩定化技術（如Aitken鬆弛、域分解方法）來剋服分區求解中常見的收斂不穩定性和步長限製，特彆是在強耦閤、快時間尺度差異的係統中。 多尺度建模： 針對跨越多個尺度（如微納尺度效應影響宏觀性能）的問題，書中介紹瞭均勻化方法（Homogenization）、升尺度（Upscaling）技術以及多尺度有限元（MsFEM）在耦閤係統中的應用，確保模型在不同分辨率下的物理一緻性。 第三部分：前沿應用案例與工程挑戰 本部分將理論和方法應用於當前工程科學的前沿領域，展示如何利用這些工具解決現實世界中的復雜工程難題。 1. 能源轉換與存儲係統： 電化學-熱-力耦閤在電池中的應用： 分析鋰離子電池充放電過程中的電化學反應、歐姆熱、極化效應與機械膨脹（體積變化）之間的復雜反饋機製，這對設計高能量密度和長壽命的電池包至關重要。 熱電轉換器件的優化： 探討塞貝剋效應中熱場、電場和材料結構之間的耦閤，以及如何通過數值仿真提高能量轉換效率。 2. 智能材料與結構： 壓電與磁彈性係統： 研究壓電材料在交變電場下産生的形變（逆壓電效應）如何影響結構動力學，以及磁場對彈性體的耦閤驅動效應（如磁流變阻尼器）。 智能流體動力學： 探討導電流體在強磁場下的流動（MHD效應）及其對傳熱和動量的影響，應用於磁流體推進和反應堆冷卻。 3. 微納係統與生物工程： 微機電係統（MEMS）： 分析靜電力、熱膨脹力和機械應力在微納尺度器件（如陀螺儀、微鏡陣列）中的耦閤行為，這直接決定瞭器件的精度和可靠性。 生物流體與熱傳遞： 探討血液循環、熱量在生物組織中的分布與生物力學反饋之間的耦閤問題。 總結與展望 本書不僅是一本關於如何“解方程”的教科書，更是一份關於如何“構建物理模型”的指南。它強調瞭跨學科思維的重要性，並為讀者提供瞭從理論推導到高級數值實現的全景路綫圖。 未來的復雜係統研究將更加依賴於高效的、自適應的、可信賴的仿真工具。本書的最終目標是培養研究人員和工程師具備駕馭和創新這些多物理場仿真技術的能力，以應對下一代工程技術帶來的挑戰。本書內容聚焦於係統層麵的集成建模，而非單一物理場問題的細節處理。 --- 讀者對象： 本書適閤於計算物理、計算力學、電子工程、材料科學、航空航天以及能源工程領域的研究生、博士後研究人員以及高級工程師。要求讀者具備紮實的工程數學基礎和偏微分方程知識。

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