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出版者:Springer New York

作者:Paul Lorrain

出品人:

页数:349

译者:

出版时间:2009-12-28

价格:USD 139.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781441922137

丛书系列:

图书标签:

• 磁流体动力学
• 流体动力学
• 电磁学
• 物理学
• 工程学
• 材料科学
• 计算物理
• 应用数学
• 等离子体物理
• 传热学

跨越边界：非牛顿流体与复杂介质的界面现象研究 本书聚焦于前沿的流体力学分支，深入探讨了在极端条件和复杂体系下，非牛顿流体、粘弹性材料以及电活性介质在相互作用界面上所表现出的独特动力学行为、结构演化和传输机制。 --- 第一部分：非牛顿流体的本构描述与基础动力学 本部分奠定了研究复杂流体行为的理论基础，摒弃了传统的牛顿流体假设，转而深入探究剪切变稀、剪切增稠、粘弹性等非经典流变学特性如何影响宏观流动。 第一章：广义应力张量与本构方程的重构 本章首先回顾了经典流体力学中的柯西应力张量，随后详细剖析了描述复杂流体行为的关键：本构方程。我们将着重讨论以下模型： 幂律流体（Power-Law Fluids）： 探讨其在不同剪切速率下的粘度变化规律，并分析其在挤出和涂布过程中的应用局限。 宾汉塑性体（Bingham Plastics）与卡门-菲利普斯模型（K-P Model）： 重点解析屈服应力现象的微观物理根源，以及如何通过修正的本构关系来精确模拟固液转变过程。 粘弹性流体的记忆效应： 深入研究Oldroyd-B、Maxwell和K-BKZ等模型，阐明时间-温度可叠加原理（TTSP）在描述高分子溶液和熔体中的重要性，特别是研究拉伸流动中纤维状结构的形成。 第二章：复杂流体中的湍流与层流转捩 本章将传统湍流理论应用于非牛顿体系，揭示了粘性耗散机制的改变如何影响能量级串和混合效率。 剪切稀化对湍流结构的影响： 分析聚合物链取向对湍流脉动和雷诺应力的抑制作用，特别是对边界层分离的影响。 粘弹性引起的流动不稳定性： 研究在高剪切梯度下，粘弹性引起的弹性不稳定性（Elastic Instabilities），如“弹性湍流”的产生条件和特征波长。 非牛顿流体中的边界层分离与再附着： 探讨由于粘度梯度导致的逆压梯度下的流动分离点预测，并引入了考虑应力松弛时间的修正模型。 第二部分：界面现象的微观机理与宏观表征 本部分是全书的核心，聚焦于不同类型流体或流体与固体、流体与电磁场相互作用的复杂界面行为。 第三章：多相流中的界面动力学与铺展行为 本章关注两种或多种不可混溶流体在界面上的相互作用，特别是考虑其中一种或多种组分为非牛顿流体的情况。 润湿与铺展的能量学： 引入Young方程的修正形式，用于描述粘弹性液滴在固体表面的铺展动力学，分析粘弹性滞后效应对接触角时间演化的影响。 乳液与泡沫的稳定性： 研究界面膜的流变学特性（表面粘弹性），分析如何利用表面活性剂来调控乳液液滴的聚并速率和泡沫的气液界面稳定性。 液-液界面不稳定性： 详细分析受Marangoni效应和弹性影响的界面失稳模式，如Taylor-Saffman不稳定性的非牛顿修正形式。 第四章：电活性介质与磁场耦合效应 本章探索了将电场、磁场引入到导电流体或介电流体中的耦合问题，这是理解电磁流体力学（MHD）在先进制造中的应用基础。 电泳与介电泳（DEP）： 深入分析微米尺度下，非均匀电场对悬浮颗粒（如细胞或纳米粒子）的驱动机制，重点讨论介电响应的频率依赖性。 磁流体动力学中的非牛顿效应： 探讨在高浓度磁性纳米颗粒悬浮液中，洛伦兹力与流体自身的粘弹特性如何相互作用，影响磁致结构（如链状结构）的形成和稳定性。 电润湿（EWOD）的非理想效应： 研究在微流控通道中，液体-固体-气体（或液体-固体-液体）三相接触线受电场影响时的滞后现象和接触角饱和效应，并建立考虑界面电荷松弛时间的模型。 第三部分：先进模型与计算方法论 本部分提供了解决复杂界面流体问题的数学工具箱和数值模拟策略。 第五章：界面捕捉与界面演化数值技术 对于涉及剧烈界面变形（如液滴破碎、射流形成）的问题，需要先进的数值方法。 水平集方法（Level Set Method）的局限与改进： 分析标准水平集方法在处理高曲率界面时的挑战，引入动量守恒的修正项。 相场模型（Phase-Field Method）在流体混合中的应用： 阐述相场模型如何自然地处理界面张力和界面厚度，并探讨其在模拟非牛顿流体中相分离过程的优势。 光滑粒子流体动力学（SPH）的拓展： 如何将本构方程（如粘弹性项）有效集成到无网格的SPH框架中，以模拟高密度粒子体系的流动。 第六章：粘弹性流体的高性能计算方法 粘弹性项的引入往往使控制方程成为高度非线性和耦合的偏微分方程组，对传统有限元方法构成挑战。 特征时间尺度与网格质量的耦合： 讨论了高Weissenberg数问题的数值稳定性和“耗散奇点”问题，并引入分层网格加密策略。 广义牛顿法与时间步进方案： 介绍适用于求解复杂本构方程的预条件子和隐式时间积分方法，以确保在大时间步长下的收敛性。 实验数据驱动的逆问题求解： 探讨如何利用流场测量数据（如PIV）反演未知的本构参数，并采用正则化技术处理反演过程中的病态问题。 --- 总结与展望： 本书旨在为研究人员、工程师和高级学生提供一个全面而深入的视角，理解在复杂流变学、电磁场和多相界面共同作用下，流体系统如何展现出超越经典理论预测的行为。后续研究将侧重于生物物理过程中的活体材料输运，以及新型增材制造技术中熔融聚合物层的精确控制。

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这本关于电磁流体力学的书简直是一场视觉与智力的盛宴。它的封面设计就极具未来感，深邃的蓝色调混合着跳动的电弧，让人联想到宇宙深处的等离子体活动。翻开内页，首先映入眼帘的是极其精美的插图，那些复杂的磁流体动力学方程组被巧妙地可视化了，不再是冷冰冰的数学符号，而像是某种宇宙运行的蓝图。作者在讲解基本概念时，仿佛有一位经验丰富的工程师在身边亲自指导，从麦克斯韦方程组如何融入纳维-斯托克斯方程，每一步的推导都清晰得让人拍案叫绝。特别是关于磁约束聚变中流体不稳定性那几章，作者运用了大量生动的类比，比如将磁场线想象成富有弹性的橡皮筋，使得那些抽象的物理现象变得触手可及。阅读体验极其流畅，即便是初次接触这个复杂领域的读者，也能在这种循序渐进的引导下，逐步建立起对磁场与导电流体相互作用的深刻理解。这本书的排版也十分考究，字体大小适中，公式居中且编号清晰，使得长时间阅读也不会感到疲劳，真可谓是学术严谨性与艺术美感完美结合的典范之作。

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坦白讲，这本书的阅读门槛不算低，如果你期望的是一本科普读物，那可能会感到吃力。它更像是为研究生或资深研究人员量身打造的“兵器谱”。书中对张量分析和微分几何的运用非常熟练且深入，尤其是在描述各向异性导体的运动时，作者直接采用了更抽象但更精确的数学框架，这对于追求理论完备性的读者来说是巨大的福音。但正因为其深度，导致某些章节需要反复研读，尤其是涉及非理想导体的磁扩散和电阻率影响的讨论，需要读者具备扎实的电动力学基础。不过，这种“硬核”的风格正是它的价值所在——它不迎合任何人，只忠实于物理本身。值得一提的是，书后的附录部分收集了大量关键的物理常数、单位换算表以及重要的积分公式，这种对细节的极致关注，体现了作者对读者学习过程的深切体谅，极大地提升了查阅效率。

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说实话，我抱着“挑战一下”的心态拿起了这本大部头，毕竟这个领域向来以晦涩著称。然而，这本书的叙事风格出乎意料地富有“人情味”。它不像许多教科书那样只堆砌公式和定理，而是像一位充满激情的学者在讲述他毕生的研究心得。作者在引入新概念时，总是会先回顾历史背景，比如早期的MHD实验是如何受挫，又是哪些关键的理论突破才让领域得以发展。这种“讲故事”的方式极大地增强了阅读的代入感，让人能感受到科学进步的艰辛与伟大。尤其欣赏作者在处理数值模拟部分时的坦诚态度——他没有避讳当前模型的局限性，反而详细讨论了不同数值格式（如有限体积法与有限元法）在捕捉磁流体波及湍流时的优缺点及计算成本，这对于希望将理论应用于实际工程问题的读者来说，简直是无价之宝。这本书的案例分析部分也做得非常出色，选取的都是当前研究的前沿热点，比如磁层物理中的磁重联，读完后让人感觉自己仿佛参与了最尖端的科学讨论。

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这本书的装帧质量极高，拿在手里沉甸甸的，纸张厚实，印刷清晰，即使是长期在实验室环境中翻阅，也丝毫没有损坏的迹象。从整体设计语言来看，它散发出一种严谨、权威的气息，一看就知道是经过多年沉淀的力作。内容组织上，作者采用了非常现代的视角来审视MHD问题，他没有停留在经典理论的复述上，而是巧妙地将最新的计算流体力学（CFD）方法融入到理论推导中。例如，书中对磁流体力学中的激波结构和阿尔文波传播的讨论，就大量引用了近十年内发表的高精度数值模拟结果来佐证理论预测的精确性。这种理论与计算实践的无缝衔接，使得整本书读起来充满活力，仿佛在参与一场跨越时空的学术对话。对于希望将经典物理知识与现代计算工具相结合的工程师和物理学家来说，这本书提供的不仅仅是知识，更是一种先进的研究范式。

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我关注的重点是应用层面，特别是关于磁流体动力学在先进推进系统中的潜力。这本书在这方面的覆盖广度令人印象深刻，远超我的预期。它不仅涵盖了传统的电磁泵和磁流体加速器，还专门辟出了一整章来探讨新型无接触加工技术中如何利用磁场精确控制熔融金属的流动。这本书的结构安排堪称教科书级别的典范，逻辑递进无可挑剔。第一部分奠定坚实的理论基础，第二部分深入探讨经典问题（如边界层和平板上的流动），第三部分则完全聚焦于高维度的非线性现象和现代应用。作者在每一个章节末尾都设置了具有启发性的“思考题”和推荐的进阶阅读清单，这使得这本书不仅仅是一本参考资料，更像是一份系统性的自学课程大纲。最让我感到震撼的是其对非线性效应的论述，那种深入骨髓的洞察力，让人明白为什么简单的线性化分析在强磁场环境中会失效，这才是真正的大师手笔。

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