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出版者:科学出版社

作者:邵福球

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2002-1

价格:16.0

装帧:

isbn号码:9787030096494

丛书系列:

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• 第一章
• 物理学
• 等离子体物理
• 粒子模拟
• 计算物理
• 等离子体诊断
• 数值方法
• 等离子体
• 模拟技术
• 物理学
• 应用物理
• 等离子体建模

《等离子体粒子模拟：从原理到应用的深度探索》 引言 等离子体，被誉为物质的第四态，广泛存在于宇宙的各个角落，从恒星的内部到地球的大气层，从受控核聚变装置到现代工业的等离子体处理技术，无不彰显着其非凡的意义。然而，等离子体的高度复杂性——例如其多尺度、多物理场耦合的特性，使得理论分析和实验观测往往难以完全揭示其内在规律。正是在这样的背景下，数值模拟，尤其是粒子模拟方法，成为了理解和驾驭等离子体行为的强大工具。 本书《等离子体粒子模拟》并非仅仅是对粒子模拟技术的简单介绍，而是旨在为读者提供一个关于如何运用粒子模拟方法深入理解等离子体物理现象的全面视角。本书将从最基础的粒子动力学原理出发，层层递进，构建起一个完整的粒子模拟知识体系。我们不仅关注算法本身，更强调算法与物理现象之间的内在联系，以及如何通过精巧的数值设计来解决实际的等离子体问题。 第一部分：基础理论与粒子动力学 本部分将为读者打下坚实的理论基础。我们将从经典力学的基本概念开始，深入阐述洛伦兹力在电磁场中对带电粒子的作用，这是所有等离子体粒子模拟的基石。随后，我们将详细介绍牛顿运动定律在粒子动力学中的应用，以及如何将其转化为用于模拟的离散方程。 经典电动力学回顾： 简要回顾麦克斯韦方程组在等离子体环境下的重要性，以及电场和磁场对带电粒子的影响。 粒子加速与运动： 深入分析不同类型的电磁场（均匀场、梯度场、非均匀场）如何影响粒子的加速和运动轨迹，包括回旋运动、漂移运动、约束运动等。 统计力学在等离子体中的角色： 介绍玻尔兹曼方程和Vlasov方程在描述等离子体宏观行为中的作用，并解释它们与微观粒子运动的关系，为后续的数值方法奠定基础。 粒子模拟的基本思想： 阐述为什么粒子模拟是研究等离子体的一种有效方法，以及它与宏观模拟（如流体力学）的区别和优势。 第二部分：核心粒子模拟算法 本部分是本书的重中之重，将详细介绍几种主流的粒子模拟算法，并剖析它们的原理、优缺点以及适用场景。我们将力求通过清晰的数学推导和直观的图示，让读者透彻理解这些算法的内在逻辑。 粒子在细胞（PIC）方法： 作为最广泛使用的等离子体粒子模拟方法，PIC方法将被置于核心地位。我们将详细解析PIC方法的两大组成部分：粒子运动求解和场更新。 粒子运动求解： 深入探讨各种数值积分方案，如欧拉法、蛙跳法（Leapfrog）、四阶龙格-库塔法（RK4），并重点分析蛙跳法在PIC模拟中的优势，包括时间可逆性和能量守恒性。我们将详细介绍Boris算法和Vay算法等用于求解带电粒子在电磁场中运动的算法，并分析它们的精度和稳定性。 场更新： 重点介绍如何将离散化的粒子信息（电荷和电流密度）插值到网格点上，并利用麦克斯韦方程组（特别是安培定律和法拉第定律）求解电磁场，再将场插值回粒子位置。我们将讨论电荷和动量守恒的重要性，以及如何通过特定的插值和外插技术来保证这些守恒律。 粒子网格（PN）方法： 介绍PN方法的核心思想，即将粒子视为网格中的一个点，并讨论其与PIC方法的异同。 无网格粒子方法（如SPH）： 简要介绍无网格方法在处理复杂边界和自由表面的优势，并探讨其在某些特定等离子体问题中的应用潜力。 算法的精度与稳定性分析： 讨论数值离散化误差（截断误差）、稳定性条件（如CFL条件）以及如何选择合适的网格大小和时间步长以保证模拟的准确性和可靠性。 第三部分：高级模拟技术与实践 在掌握了基本算法后，本部分将引导读者进入更高级的模拟技术和实际应用层面。我们将探讨如何优化模拟效率，处理更复杂的物理现象，以及进行有效的后处理分析。 并行计算与高效模拟： 面对等离子体模拟巨大的计算量，并行计算是必不可少的。我们将介绍分布式并行（MPI）和共享内存并行（OpenMP）等技术，以及如何将粒子模拟算法有效地并行化。 处理不同尺度问题： 等离子体现象往往跨越多个尺度。我们将讨论如何运用多尺度方法（如多尺度PIC）来处理从微观粒子行为到宏观等离子体流动的模拟。 碰撞模型： 介绍在粒子模拟中如何引入粒子碰撞，例如二体碰撞（Coulomb碰撞）和气体动力学碰撞模型，以及它们对等离子体性质的影响。 边界条件处理： 详细讨论在模拟域中如何施加各种边界条件，包括周期性边界、反射边界、吸收边界以及引入源项的边界等，以及它们对模拟结果的影响。 软件与工具： 介绍常用的等离子体粒子模拟软件和框架，如VPIC、GTC、PICSim等，以及相关的后处理和可视化工具（如ParaView、VisIt），帮助读者将理论付诸实践。 第四部分：应用案例与前沿展望 本部分将展示粒子模拟在解决真实等离子体问题中的强大能力，并通过案例分析来加深读者对前面章节内容的理解。 天体物理等离子体模拟： 从磁重联、宇宙射线的加速到行星磁层，探讨粒子模拟在理解这些宏观天文现象背后的微观粒子过程中的作用。 聚变等离子体模拟： 聚焦于受控核聚变中的问题，如托卡马克装置中的湍流、输运和粒子加热，展示粒子模拟如何为提高聚变效率提供指导。 空间等离子体模拟： 分析地球空间环境中的等离子体现象，如极光、空间天气以及航天器与空间等离子体的相互作用。 工业应用中的等离子体模拟： 探讨粒子模拟在等离子体加工（如半导体制造、材料表面处理）、等离子体推进器等领域的应用。 前沿研究方向： 展望粒子模拟领域的未来发展，包括机器学习在加速模拟和分析中的应用、更高效的算法开发、以及与其他模拟方法的耦合等。 结论 《等离子体粒子模拟》是一本致力于为读者提供全面、深入的粒子模拟技术及其在等离子体科学研究中应用的指南。本书将理论与实践相结合，旨在培养读者独立运用粒子模拟方法解决复杂等离子体问题的能力，从而推动等离子体科学和相关应用领域的发展。通过阅读本书，您将能够建立起一套严谨的科研思维，理解粒子模拟的精妙之处，并自信地探索等离子体世界的奥秘。

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这绝对是一本能够刷新你对“等离子体粒子模拟”认知的书籍。作者的叙述方式，我个人认为非常具有启发性。他并没有回避那些复杂的数学和物理理论，但却以一种非常清晰且逻辑严谨的方式，将它们呈现出来。我尤其欣赏书中关于“机器学习在等离子体模拟中的应用”的章节，这让我看到了传统模拟方法与新兴技术结合的巨大潜力。作者不仅介绍了相关的算法和模型，更重要的是，他展示了这些技术如何能够帮助我们更高效地进行模拟，以及如何从海量的模拟数据中提取有价值的信息。此外，书中对“不确定性量化”的讨论，也让我意识到了在科学研究中，如何准确评估模拟结果的可靠性是多么重要。总而言之，这本书不仅为我提供了关于等离子体粒子模拟的扎实知识，更重要的是，它激发了我对未来科学研究方向的思考，让我看到了这个领域充满无限可能。

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这本书的封面设计就给我一种非常“硬核”的科学感，深邃的背景，跃动的等离子体粒子，让我迫不及待地想一探究竟。虽然我是一名物理学爱好者，但对于“等离子体粒子模拟”这个具体领域，之前的接触并不算深入，更多的是一种模糊的认知。然而，在翻开这本书的扉页，看到目录和作者的简介后，我感受到了一种前所未有的期待。目录中涵盖了从等离子体的基本概念、方程描述，到各种数值模拟方法，再到实际应用场景的介绍，内容之详尽，逻辑之严谨，都预示着这将是一本能够带领我深入理解这个复杂而迷人的领域的著作。作者的学术背景和研究方向也让我对内容的专业性和前沿性有了信心。我想，这本书不仅仅是理论的堆砌，更可能蕴含着作者多年的研究心得和对这一领域的独到见解。我尤其对书中可能涉及的“粒子数密度”、“温度”、“磁场”等关键物理量的仿真处理方式感到好奇，以及不同模拟算法在精度、效率和适用性上的权衡。我希望能从这本书中学习到如何构建一个能够准确反映真实等离子体行为的数值模型，以及如何解读和分析模拟结果，并将这些知识应用到诸如聚变能源、空间等离子体物理、材料科学等前沿研究领域。这本书对我来说，不仅仅是一本技术手册，更像是一扇通往未知宇宙奥秘的大门，我渴望在这扇门后，发现更多令人惊叹的科学图景，并从中汲取灵感，为自己的学习和思考注入新的活力。

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说实话，在拿到这本书之前，我对“等离子体粒子模拟”的认知，仅限于一些科普读物中的零星介绍，感觉它是一个极其专业且遥不可及的领域。然而，这本书彻底改变了我的看法。作者用一种非常耐心且逻辑清晰的方式，将原本复杂晦涩的概念，化繁为简。我尤其欣赏书中对于数值方法论述的深度。它不仅仅是简单地介绍一个方法，而是深入到其背后的物理思想和数学推导，让我能够理解为什么这个方法有效，以及它的局限性在哪里。比如，在讲到“粒子运动方程”的求解时，作者详细介绍了如欧拉法、蛙跳法等数值积分方法的原理和精度差异，这让我对模拟的准确性有了更直观的认识。此外，书中关于“边界条件”和“初始化”的讨论，也让我意识到了构建一个可靠模拟模型所需要考虑的关键细节。这部分内容，对于新手来说，无疑是至关重要的。我能感受到作者在写作过程中，充分考虑到了读者的背景差异，力求做到既专业又不失可读性。通过这本书，我不仅学到了等离子体粒子模拟的技术，更重要的是，我领略到了科学研究的严谨与魅力。

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在我心中，这本书是一本将“硬核”理论与“软性”趣味完美结合的典范。作者在讲解“等离子体粒子模拟”的核心概念时，并没有采用枯燥乏味的叙述方式，而是巧妙地运用了大量的实例和类比，将复杂的物理过程变得生动形象。我尤其喜欢书中关于“天体物理中的等离子体模拟”的章节，它让我能够将书本上的知识，与宇宙中的各种奇妙现象联系起来，比如恒星的形成、黑洞的吸积盘等。在技术层面，作者对各种数值算法的详细解析，也让我受益匪浅。他不仅仅是介绍算法本身，更是深入探讨了算法的适用性、精度和效率，这对于我这样希望进行实际模拟研究的读者来说，是无价的。我从中学会了如何选择合适的算法来解决特定问题，以及如何优化模拟参数以获得更准确的结果。这本书让我感受到，科学的魅力不仅在于其深奥的理论，更在于它能够帮助我们理解和改造世界。

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阅读这本书的体验，可以说是既挑战又充满惊喜。当我一开始接触到那些复杂的数学公式和算法描述时，确实感到了一丝压力，毕竟我并非专业的等离子体物理学家，很多概念都需要时间去消化和理解。但作者在讲解过程中，并没有一味地堆砌理论，而是巧妙地穿插了一些直观的比喻和图示，这极大地降低了理解门槛。例如，在解释PIC（Particle-in-Cell）方法时，作者用到了“微观粒子在宏观网格中运动”这样的类比，让我一下子就抓住了核心思想。而且，书中对不同模拟方法的优缺点进行了详细的对比分析，比如稳定性、精度、计算成本等方面，这对于我这样一个需要权衡选择的用户来说，无疑是极具价值的参考。我尤其关注了关于“碰撞模型”的部分，因为我知道在真实的等离子体中，粒子间的碰撞对整体行为有着至关重要的影响，而如何准确地在数值模拟中体现这一点，是技术上的一个难点。作者的阐述让我对其中的复杂性有了更深刻的认识，也为我未来可能进行的仿真研究提供了重要的理论指导。总而言之，这本书在我心中建立了一个关于等离子体粒子模拟的坚实知识框架，让我不再觉得这是一个遥不可及的领域，而是可以通过系统学习来掌握的技能。

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这是一部我极力推荐给所有对“等离子体粒子模拟”感兴趣的读者的著作。即便您和我一样，不是该领域的资深研究人员，也能从中受益匪浅。作者的叙述方式，我个人认为是非常“接地气”的。他并没有回避那些艰深的数学和物理概念，但却始终以一种循序渐进、由浅入深的方式呈现。初期的章节，对等离子体基本性质的介绍，就如同为读者打下了一个坚实的基础，让我们能够理解为什么要进行粒子模拟，以及模拟所要解决的核心问题。紧接着，书中详细讲解了各种主流的数值模拟方法，如PIC、流体模型、混合模型等，并深入剖析了它们的数学原理和实现细节。对我而言，最吸引我的部分在于，作者不仅仅列举了这些方法，还结合了大量的实例，展示了这些方法在解决实际问题时的应用。例如，关于磁层等离子体模拟的案例，让我看到了理论如何转化为对地球空间环境的深刻理解，这极大地激发了我对科学探索的热情。书中的图表和代码示例（虽然书上不直接提供代码，但描述得足够详细）也为我提供了动手实践的指引。我相信，通过阅读和理解这本书，我能够更自信地进入等离子体粒子模拟的领域，并对其未来的发展方向有更清晰的认识。

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这本书给我最大的感受是，它不是一本“点到为止”的科普读物，而是一本真正能够引导读者深入掌握“等离子体粒子模拟”核心技术的“工具书”。作者在开篇就清晰地阐述了等离子体模拟的重要性，以及它在诸多科学和工程领域中的应用前景，这极大地激发了我继续阅读的兴趣。随后，书中循序渐进地讲解了构建一个粒子模拟所必需的物理基础、数学模型以及核心的算法。我特别注意到，作者在介绍各种数值算法时，不仅给出了算法的数学表达式，还对算法的稳定性和精度进行了详细的讨论。例如，在讲解“电磁场求解”部分，作者对比了泊松方程和麦克斯韦方程组的求解方法，并分析了不同方法的计算效率和精度，这对我理解模拟结果的可靠性非常有帮助。另外，书中关于“粒子载体”和“网格”的相互作用的描述，让我对PIC方法的本质有了更深入的理解。我能感觉到，作者是一位真正懂行且善于教学的专家，他能够将如此复杂的理论，用清晰易懂的方式呈现出来，实属不易。

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这是一本让我对“等离子体粒子模拟”这一概念产生了全新认识的书籍。在此之前，我总觉得这是一个非常高深的学问，与我的生活和学习相去甚远。然而，这本书以一种引人入胜的方式，向我展示了等离子体粒子模拟的魅力和实际应用。作者不仅仅是介绍理论，更重要的是，他将抽象的物理过程，通过清晰的图示和案例，变得鲜活起来。我尤其喜欢书中关于“空间等离子体现象”的模拟介绍，比如行星磁层中的粒子加速机制，这让我能够将课本上的理论知识，与真实的宇宙现象联系起来。在技术层面，书中对不同模拟方法的优缺点分析，以及对数值算法的详细阐述，都让我大开眼界。例如，在讨论“粒子追踪”技术时，作者深入浅出地介绍了各种积分方法的原理和适用范围，让我明白了如何在保证精度的前提下，提高计算效率。总而言之，这本书不仅满足了我对科学知识的好奇心，更让我看到了等离子体粒子模拟在解决实际问题中的巨大潜力。

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这本书的阅读体验，对我来说是一次深刻的学习之旅。作者以一种非常专业且严谨的态度，构建了关于“等离子体粒子模拟”的知识体系。虽然书中充斥着大量的数学公式和物理概念，但作者并没有让我感到迷失。相反，他通过清晰的逻辑梳理和循序渐进的讲解，引领我一步步深入理解。我特别欣赏书中对各种数值方法的介绍，它不仅仅是简单地列出公式，更是深入地探讨了算法背后的物理意义和数学原理。例如，在讲解“蒙特卡洛方法”时，作者详细阐述了其随机抽样的原理，以及在模拟粒子相互作用中的应用，这让我对如何处理复杂的粒子碰撞问题有了新的认识。此外，书中关于“数据可视化”的章节，也给我留下了深刻的印象，它让我意识到，将模拟结果以直观的方式呈现出来，对于理解和传播科学知识的重要性。总的来说，这本书为我打开了一扇通往等离子体粒子模拟世界的大门，让我看到了这个领域巨大的潜力和价值。

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我一直对宇宙中的等离子体现象充满了好奇，这本书的出现，无疑满足了我对这一领域的探索欲。作者在书中非常系统地介绍了等离子体粒子模拟的方法和理论，让我得以窥见这个复杂世界的奥秘。我印象特别深刻的是，书中对“统计模拟”和“确定性模拟”的区分，以及它们各自的优劣势分析，这让我对不同模拟方法的适用场景有了更清晰的认识。而且，作者在讲解过程中，并没有生硬地堆砌公式，而是巧妙地融入了一些对物理概念的直观解释，这对于非专业读者来说，极大地降低了理解难度。我尤其对书中关于“湍流等离子体”的模拟讨论感到兴奋，因为湍流一直是我理解的难点，而作者通过粒子模拟的方式，为我提供了一个新的视角。通过这本书，我不仅学到了如何构建一个等离子体粒子模拟模型，更重要的是，我开始能够理解和分析模拟结果，并将其与真实的物理现象联系起来。

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