Multiphysics Modeling Using COMSOL pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Jones & Bartlett Publishers, Inc.

作者:Roger W. Pryor

出品人:

页数:852

译者:

出版时间:2009-12-08

价格:USD 89.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780763779993

丛书系列:

图书标签:

• COMSOL
• 材料学
• 仿真
• comsol
• Geophysics
• COMSOL
• Multiphysics
• Modeling
• Simulation
• Finite Element Analysis
• Engineering
• Physics
• Science
• Numerical Methods
• Software

深入探索：流体力学与结构力学的现代数值模拟技术 图书简介 本书旨在为广大工程技术人员、科研工作者以及高年级本科生和研究生提供一套全面、深入且高度实用的流体力学（Fluid Dynamics）与结构力学（Structural Mechanics）的现代数值模拟技术指南。我们摒弃对特定商业软件操作界面的冗长罗列，转而聚焦于支撑这些高级仿真的核心物理原理、数学模型、数值离散方法以及如何构建可靠、高效的仿真流程。 本书的结构设计旨在构建一个从基础理论到复杂耦合仿真的清晰学习路径。我们深知，真正的掌握不在于点击菜单，而在于理解方程背后的物理意义和数值求解器的内在逻辑。 --- 第一部分：基础理论与离散方法的核心构建 本部分是理解所有高级多物理场模拟的基石。我们将用严谨的数学语言和直观的物理图像，系统梳理流体和固体力学的基本控制方程，并重点探讨如何将其转化为可供计算机求解的形式。 第一章：流体力学的控制方程精要 本章首先回顾了连续介质假设，并详细推导了不可压缩牛顿流体的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程组，包括质量守恒（连续性方程）和动量守恒方程。我们将深入探讨压力泊松方程的物理意义及其在求解过程中的关键作用。对于可压缩流动，本章将引入能量方程，并讨论等熵关系、激波的数学描述，以及马赫数在超/低速流动分析中的决定性地位。 湍流模型的选择与应用： 湍流是工程中最普遍的现象之一。本章将详述雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法的哲学基础，细致对比 $k-epsilon$、$k-omega$ SST 等主流模型的适用范围、壁面处理（壁面函数与直接数值模拟的边界）及其在工程精度与计算成本之间的权衡。此外，我们将简要介绍大涡模拟（LES）的原理，作为高保真度模拟的过渡。 第二章：固体力学与本构关系 本章专注于弹性、弹塑性变形的数学描述。从三维应力张量和应变张量的定义出发，我们详细阐述了线弹性材料的广义胡克定律，并引入了各向异性材料的材料矩阵表示法。 非线性材料模型： 现实中的结构材料往往表现出非线性行为。本章将深入探讨塑性理论的基础，包括屈服准则（如冯·米塞斯、德鲁克-普拉格准则）、流动法则（塑性势）和硬化定律（随动硬化与包辛格效应）。对于橡胶等超弹性材料，本章将介绍基于应变能密度的本构关系（如 Mooney-Rivlin 模型）。 第三章：有限元与有限体积法的数值基础 数值模拟的准确性高度依赖于所采用的离散化方法。本章将聚焦于求解域的离散化过程。 有限元法（FEM）的严谨性： 重点讲解形函数（Shape Functions）的构造、伽辽金（Galerkin）法的原理，以及如何将偏微分方程转化为弱形式（Variational Formulation）。本章将对比一维、二维单元的构建，并讨论网格质量对解的影响（如雅可比行列式和最优网格形状）。 有限体积法（FVM）的守恒性： 详细解析FVM如何通过守恒律的积分形式来保证物理量在控制体上的精确守恒。重点讨论通量计算（Flux Calculation）的重要性，特别是在处理对流项时，如迎风格式（Upwinding Schemes）在稳定性和分辨率之间的平衡。 --- 第二部分：单场模拟的高级主题与挑战 在掌握基础后，本部分将深入探讨流体和结构场中常见的挑战性问题及其对应的数值策略。 第四章：流场模拟中的复杂挑战 本章聚焦于高精度、高稳定性的流场求解技术。 高阶空间离散格式： 讨论如何使用高阶格式（如高阶迎风格式或谱方法）来减少数值耗散和色散误差，特别是在模拟边界层和剪切流时。 瞬态问题的求解： 详细分析时间积分方案，对比一阶和二阶隐式/显式方法（如后向欧拉、Crank-Nicolson）。重点讨论在模拟强非定常问题（如涡脱落）时，如何选择合适的时间步长以保持解的稳定性与物理精度。 网格重构与自适应： 探讨在计算过程中，如何根据解的梯度或涡量场自动细化网格（AMR），以实现计算资源的有效分配。 第五章：结构分析中的非线性与接触建模 结构分析的复杂性往往源于几何非线性和材料非线性。 几何非线性： 深入分析大变形问题中，如何从初始构型（Lagrangian）过渡到当前构型（Eulerian），并推导出更新的刚度矩阵，这是求解屈曲和拉伸问题的关键。 接触算法： 接触是非线性结构仿真中最具挑战性的部分之一。本章详细介绍接触对的识别、接触条件的数学表达（法向接触约束和摩擦力的建模），以及数值求解器（如惩罚法、增广拉格朗日法）如何处理接触界面的迭代收敛性问题。 失效模型： 讨论损伤力学和断裂力学的基本概念，如何将材料的退化过程（如微裂纹的萌生和扩展）嵌入到有限元框架中进行模拟。 --- 第三部分：多物理场耦合：跨域的相互作用 本部分是全书的精华，探讨流体与固体之间能量、动量传递的复杂耦合机制。 第六章：流固耦合（FSI）的基础架构 流固耦合是研究结构在流体作用下变形、以及结构运动反作用于流场影响的交叉学科。 耦合分类： 明确区分单向耦合（Fluid $ ightarrow$ Solid）和双向（或完全）耦合（Fluid $leftrightarrow$ Solid）。 区域划分与交界面处理： 详细讨论网格处理技术。对于流体域和固体域网格不匹配的情况，介绍无映射（Mesh-free）方法或插值技术的应用。 第七章：双向流固耦合的数值实现 本章重点讲解动量交换的数值实现细节。 ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）框架： 详细解释ALE方法的必要性，即在保持流体域计算的欧拉属性的同时，允许流体网格随固体边界的运动而变形。讨论网格运动方程（如弹性体模型或体积粘性模型）的选择。 时间步进策略： 区分松耦合（Partitioned）和强耦合（Monolithic）策略。分析松耦合方法（如亚迭代法）的稳定性和收敛性，并探讨在强耦合求解中，如何将流体和固体的残差方程合并为一个大型非线性系统进行求解。 第八章：热-流-固耦合的进阶分析 本章扩展到涉及能量交换的多物理场问题。 对流换热基础： 耦合传热方程（能量守恒）到流体动力学，探讨对流、传导和辐射的耦合效应。 热应力分析： 在流体或固体温度场变化时，如何将产生的热应变传递给结构模型，计算热应力分布和结构形变。本章还将探讨流体粘性耗散在能量平衡中的贡献。 结论：模型的验证、校准与未来展望 本书最后将强调工程仿真的关键环节：验证（Verification，确保数值解的准确性）和校准（Validation，确保模型能复现物理现象）。我们将提供一套系统性的检查清单，指导读者如何通过解析解、简化模型和实验数据来评估仿真结果的可靠性。此外，展望人工智能与机器学习在加速复杂多物理场模型构建和参数空间搜索中的潜力。 --- 本书内容侧重于方法论和原理深度，而非特定软件的菜单式操作，确保所教授的知识体系具备高度的通用性和前瞻性。读者通过系统学习，将能够自主设计、构建和诊断复杂的流体、结构及多场耦合仿真模型。

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从一个深度 COMSOL 用户角度来看，这本书提供了一种全新的视角来审视多物理场耦合问题的建模过程。作者在叙述过程中，不仅仅是罗列步骤，更侧重于揭示模型背后隐藏的物理耦合机制以及在 COMSOL 中如何精准地捕捉这些耦合。书中对于一些高级建模技巧的探讨，比如自定义方程、用户定义函数以及与外部软件的接口，都极具启发性。我特别喜欢其中关于参数化扫描和优化设计的章节，这对于加速产品迭代和性能优化提供了切实可行的方案。此外，作者还强调了模型验证和不确定性量化在仿真过程中的重要性，这往往是许多工程师容易忽略但又至关重要的环节。书中提供了清晰的指导，如何通过实验数据对比、敏感性分析等方法来评估模型的可靠性。这本书不仅仅是 COMSOL 的一本操作指南，更像是一本关于多物理场仿真的“思想集”，它鼓励读者跳出思维定势，用更系统、更全面的方法去理解和解决复杂工程难题。对于那些希望将 COMSOL 的能力发挥到极致的研究者，这本书是不可或缺的。

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对于我这样需要处理非传统多物理场耦合问题的工程师来说，这本书无疑是一本“救星”。作者在书中并未局限于常见的仿真场景，而是大胆地探讨了一些更具挑战性的耦合问题，例如考虑了电磁-热-结构之间的复杂反馈，或者化学反应与流体输运的相互作用。书中对于如何定义和处理这些非线性耦合的详细方法，给了我极大的启发，我之前一直为此感到困扰。作者不仅提供了具体的 COMSOL 操作步骤，更重要的是，他解释了这些操作背后的数学原理和物理假设，使得我能够根据具体问题的特点，灵活地调整建模策略。书中关于模型简化和近似的讨论，也让我对如何在保证精度的前提下提高计算效率有了更深的认识。这本书不仅仅是 COMSOL 的教程，更是一本关于如何“思考”和“解决”复杂多物理场问题的“案例集”。它教会了我如何将抽象的物理概念转化为可执行的仿真模型，从而有效地指导我的工程设计和研发工作。

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作为一个对多物理场仿真感到好奇但又有些畏惧的跨领域研究者，我发现这本书以一种非常友好的方式打开了我探索 COMSOL 的大门。作者从最基础的概念讲起，循序渐进，使得我能够理解那些一开始看起来很复杂的物理现象是如何在软件中被模拟的。书中对不同物理场的介绍，以及它们之间可能存在的相互作用，都讲解得非常到位，即使我不是这些领域的专家，也能清晰地领会其中的精髓。我特别赞赏作者在讲解时，不时穿插的“思考题”和“拓展阅读”的建议，这促使我主动去思考问题，并且引导我去寻找更多相关的知识。这本书并没有让我感到被海量的信息淹没，而是巧妙地组织了内容，让我在学习过程中充满了成就感。它更像是一位经验丰富的导师，耐心地引导我一步步掌握 COMSOL 的核心理念和应用技巧。对于那些希望快速入门多物理场建模，并且想要建立扎实基础的学者和学生来说，这本书的价值是无法估量的。

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这本书无疑是 COMSOL Multiphysics 领域的一本重量级参考书。它以一种引人入胜的方式，带领读者深入探索复杂的多物理场建模世界。作者巧妙地将理论知识与实践应用相结合，使得即便是初学者也能逐渐掌握 COMSOL 的强大功能。书中详尽的案例分析，涵盖了从力学、热学到流体动力学等多个学科领域，提供了丰富的建模思路和解决策略。我尤其欣赏书中关于模型建立、网格划分、求解器选择以及结果后处理的详细讲解，这对于提高建模效率和准确性至关重要。作者并没有仅仅停留在介绍软件的界面和基本操作，而是深入剖析了各个模块背后的物理原理和数学模型，让读者能够真正理解“为什么”这样建模，而不仅仅是“如何”操作。对于想要在工程仿真领域有所建树的研究人员和工程师来说，这本书无疑是一笔宝贵的财富。它不仅能帮助我们更有效地利用 COMSOL 来解决实际问题，更能培养我们严谨的科学思维和创新能力。即使是经验丰富的 COMSOL 用户，也能从中获得新的启发和更深的理解。

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这本书在我桌上的优先级，几乎已经超越了绝大多数专业期刊。它以一种非常系统且全面的方式，将 COMSOL Multiphysics 在不同学科领域的应用进行了深度梳理。作者对于每个仿真案例的选取都非常具有代表性，并且在分析过程中，注重了细节的打磨，从网格质量的评估到收敛性准则的设定，都进行了细致的讲解。我尤其欣赏书中关于模型鲁棒性和灵敏性分析的章节，这对于我这种需要向客户展示仿真结果的研究人员来说，能够提高结果的可信度，并为决策提供坚实的基础。这本书也让我看到了 COMSOL 在前沿科技领域的一些应用方向，例如在生物医学工程、新能源技术等方面的潜力，这极大地激发了我进一步探索和学习的兴趣。书中提供的一些优化和后处理技巧，也让我在实际工作中受益匪浅，能够更快地获得有价值的信息。总而言之，这是一本集知识性、实用性和前瞻性于一体的优秀著作。

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