计算等离子体物理导论 谢华生 科学出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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谢华生 著

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• 计算物理
• 等离子体物理
• 谢华生
• 科学出版社
• 物理学
• 计算方法
• 等离子体诊断
• 数值模拟
• 电磁学
• 流体力学

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030563675

商品编码：26690965015

包装：平装

出版时间：2018-02-01

图书基本信息
图书名称	计算等离子体物理导论	作者	谢华生
定价	138.00元	出版社	科学出版社
ISBN	9787030563675	出版日期	2018-02-01
字数		页码
版次	31	装帧	平装
开本	16开	商品重量	0.4Kg

内容简介

《计算等离子物理 导论》是等离子体物理数值计算与模拟的入门教程，基本涵盖了计算等离子体物理中常见的基础问题，一类源自教学，一类源自科研。在内容编写方面，笔者力求做到每一章节既有新意，又有实用性，使得读者对目前的计算等离子体物理研究内容能知其然且知其所以然。与传统教材不同，《计算等离子物理 导论》将通过具体的算例来帮助初学者理解相关的物理概念和物理图像，尽可能地降低读者的学习困难，同时加深读者对计算等离子体物理前沿的理解。《计算等离子物理 导论》的算例均提供了相关的代码（以Matlab为主），读者可直接使用或依据需要做相关的改写。

作者简介

目录

目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 计算等离子体物理 1 1.2 计算等离子体物理的先驱 4 1.3 计算等离子体物理的新挑战 7 1.4 本书内容 9 习题 13 第2章 数据处理与可视化 14 2.1 谱分析 14 2.1.1 傅里叶变换 14 2.1.2 窗口傅里叶变换 18 2.1.3 小波变换 21 2.1.4 关联谱分析 22 2.1.5 包络分析 24 2.1.6 小结 25 2.2 数据误差及平滑、插值和拟合 26 2.2.1 数据误差 26 2.2.2 平滑 27 2.2.3 插值 27 2.2.4 拟合 29 2.3 数据可视化 31 2.3.1 基于现成软件可视化 32 2.3.2 底层代码实现可视化 36 2.4 数据处理一体化和图形用户界面 37 2.4.1 小程序的一体化实时数据处理示例 37 2.4.2 GUI数据处理工具集示例 41 2.4.3 实验数据实时系统 43 2.5 其他 43 2.5.1 模拟结果中色散关系的获得 43 2.5.2 频率的正负 45 2.5.3 动画和电影 47 2.5.4 从数据图中提取原始数据 47 习题 48 第3章 算法效率与稳定性 49 3.1 算法精度与稳定性分析的普适方法 49 3.2 时间积分 52 3.2.1 欧拉一阶算法 52 3.2.2 蛙跳格式 52 3.2.3 龙格-库塔 56 3.3 偏微分方程 56 3.3.1 偏微分方程分类 57 3.3.2 对流方程 57 3.3.3 抛物线方程 60 3.3.4 椭圆方程 60 3.4 隐式算法 63 3.5 谱方法 64 3.6 有限元 64 3.7 其他 64 3.7.1 辛算法 64 3.7.2 Boris格式 66 3.7.3 时域有限差分和Yee网格 68 3.7.4 exp(Ht)的计算 68 习题 69 第4章 单粒子轨道 70 4.1 洛伦兹力轨道 70 4.1.1 基本方程 70 4.1.2 磁力线方程 71 4.1.3 磁镜中的轨迹 72 4.1.4 地磁场中的轨迹 78 4.1.5 托卡马克中的轨迹 82 4.1.6 电流片中的轨迹 83 4.2 导心轨道 84 4.2.1 各种导心漂移 84 4.2.2 一组实用的磁面坐标公式 85 4.2.3 托卡马克中的公式 88 4.2.4 理想偶极场磁面坐标导心运动公式 90 4.3 补注 93 习题 93 第5章 磁流体 95 5.1 描述等离子体的物理模型 95 5.2 常见的磁流体模式图示 98 5.2.1 扭曲模 99 5.2.2 气球模 100 5.2.3 撕裂模(磁岛) 101 5.3 线性问题数值解法 102 5.4 磁流体模拟 105 5.4.1 一维激波模拟 105 5.4.2 撕裂模及磁重联 107 5.5 托卡马克中的平衡 112 5.5.1 Grad-Shafranov方程 112 5.5.2 G-S方程的解析解 113 5.5.3 直接数值求解 115 5.6 局域气球模问题 120 5.6.1 打靶法 120 5.6.2 本征矩阵法 122 5.7 约化的磁流体方程 126 5.8 阿尔文连续谱和阿尔文本征模 130 5.8.1 柱全局阿尔文本征模 132 5.8.2 环阿尔文本征模 132 5.8.3 反剪切阿尔文本征模 133 5.8.4 全局气球模 134 5.8.5 内扭曲模 134 5.8.6 非圆阿尔文本征模 135 5.9 回旋朗道流体：磁流体的拓展 136 5.9.1 静电一维为例 136 5.9.2 展开R 136 5.9.3 流体方程 137 习题 139 第6章 等离子体中的波与不稳定性 140 6.1 色散关系求根示例 140 6.2 冷等离子体色散关系 142 6.2.1 k(w)到w(k) 143 6.2.2 数值求解 143 6.2.3 静电还是电磁 145 6.2.4 等离子体波传播模拟示例 145 6.3 CMA图 147 6.4 流体色散关系普适解 147 6.4.1 普适数值方法 148 6.4.2 冷等离子体 150 6.5 热等离子体中的波与不稳定性 152 6.5.1 色散关系 152 6.5.2 等离子体色散函数 153 6.5.3 等离子体色散函数的Pade近似或多点展开 156 6.5.4 朗道阻尼 157 6.5.5 离子声波 160 6.5.6 广义等离子体色散函数 160 6.5.7 WHAMP代码 162 6.5.8 PDRK代码 164 6.5.9 电磁色散关系 169 6.5.10 相对论性问题 173 6.6 回旋动理学色散关系 173 6.7 半谱法模拟 176 6.7.1 流体简正模模拟 176 6.7.2 动理学简正模模拟 179 6.7.3 本征模模拟 180 习题 181 第7章 等离子体中的碰撞与输运 182 7.1 二体库仑碰撞 183 7.2 一维平板和柱位形中的扩散 185 7.3 随机行走和蒙特卡罗模拟 187 7.3.1 基于随机函数的输运基本理论 187 7.3.2 一维随机行走计算输运系数 189 7.3.3 二维随机行走演示 190 7.3.4 列维飞行 192 7.4 蒙特卡罗法的更多应用 194 7.4.1 对流扩散方程 194 7.4.2 泊松方程 196 习题 198 第8章 动理学模拟 200 8.1 Particle-in-cell模拟 200 8.1.1 *短的PIC代码 201 8.1.2 朗道阻尼 202 8.1.3 双流不稳定性 205 8.1.4 含碰撞情况 206 8.1.5 1D3V，伯恩斯坦模 206 8.1.6 其他 209 8.2 Vlasov模拟 209 8.2.1 朗道阻尼 210 8.2.2 其他 212 8.3 f算法 212 8.3.1 f模型 213 8.3.2 线性模拟 213 8.3.3 静电一维 214 8.3.4 离子声波 214 8.3.5 束流不稳定性 218 8.4 电磁模拟和Darwin模型 219 8.5 漂移不稳定性及输运 220 8.6 回旋动理学模拟 223 8.6.1 使用贝塞尔函数 223 8.6.2 使用多点回旋平均 227 8.6.3 线性本征模问题 231 习题 233 第9章 部分非线性问题及其他问题 234 9.1 标准映射 235 9.2 捕食者-食者模型 236 9.3 Burgers方程 238 9.4 KdV方程 240 9.5 非线性薛定谔方程 242 9.6 一个微分积分方程的解 (BB模型) 244 9.7 环位形装置截面形状及不同q(安全因子)分布时的磁场 248 9.8 光迹追踪 253 9.9 Nyquist图及柯西围道积分法求根 254 9.9.1 Nyquist不稳定性分析方法 254 9.9.2 求复平面指定区域根个数 255 9.10 电荷片模拟 259 9.11 粒子模拟方法补述 262 9.11.1 一维静电粒子模拟中的问题 262 9.11.2 粒子-粒子模拟 263 9.11.3 分子动力学模拟 263 9.12 再论朗道阻尼 263 9.12.1 Case-van Kampen模 263 9.12.2 Vlasov-Ampere系统 265 9.12.3 连续谱、离散谱和剩余谱共存 268 习题 271 第10章 附录 272 10.1 等离子体物理基本参数计算器 272 10.2 矢量、张量和磁面坐标 273 10.2.1 度规张量与雅可比 273 10.2.2 磁面坐标 275 10.2.3 零位移情况 278 10.3 各种随机分布函数的产生 279 10.3.1 赝随机数 279 10.3.2 任意分布的产生 280 10.3.3 高斯分布的产生 281 10.4 高斯求积 282 10.5 简振模和本征模及模结构 283 10.6 阿贝尔反演 283 10.7 数值库的使用 283 10.8 集群使用简介 284 10.8.1 Linux使用 284 10.8.2 集群使用 285 10.9 其他实用信息 286 10.9.1 部分网址 286 10.9.2 数值分析方法库 287 10.9.3 CPC数值库 287 10.9.4 Mathematica软件的符号推导功能 288 10.9.5 等离子体物理主要期刊 289 习题 290 参考文献 291

编辑推荐

等离子体物理专业的研究生和高年级本科生，也可作为计算等离子体物理研究的手册使用

文摘

序言

好的，以下是一本涵盖计算物理，特别是计算等离子体物理领域，但不包含您提及的《计算等等离子体物理导论》（谢华生，科学出版社）中具体内容的图书简介： --- 《高维复杂系统中的数值模拟与计算方法：从流体力学到多尺度等离子体动力学》 内容简介 本书旨在为从事计算物理、计算流体力学、计算等离子体物理以及相关交叉学科研究的学者、高级本科生和研究生提供一套全面且深入的数值模拟方法论与实践指南。我们聚焦于如何将抽象的物理模型转化为高效、稳定且精确的计算机代码，特别是针对那些在多尺度、非线性以及高维空间中表现出复杂行为的物理系统。 全书内容涵盖了从基础的数值分析到尖端的多尺度模拟技术，强调理论基础与实际应用之间的紧密结合。我们深入探讨了处理守恒律方程、扩散方程以及动力学方程组的通用策略，并辅以大量实际算例和编程实践指导。 第一部分：计算物理基础与数值方法精要 本部分奠定了坚实的数学和计算基础。我们首先回顾了数值分析的核心概念，包括误差分析、收敛性与稳定性判据，这是构建可靠模拟代码的基石。 离散化技术： 详细讲解了有限差分法（FDM）的构造、优缺点及其在高阶导数处理中的应用。随后，重点介绍了有限体积法（FVM）在处理守恒型方程（如流体力学、磁流体力学）中的优越性，特别是如何保证数值通量计算的物理一致性。我们还会对有限元法（FEM）进行系统梳理，阐述其在处理复杂几何边界和非均匀网格上的优势。 时间积分方案： 覆盖了从显式、隐式到半隐式时间推进算法。对于常微分方程组的求解，我们细致分析了欧拉法、龙格-库塔法（RK系列）的精度与稳定性平衡。特别关注了处理刚性（Stiff）问题的有效数值方法，这在许多等离子体动力学模型中至关重要。 线性代数求解器： 在求解大型稀疏线性系统时，直接法（如LU分解）因内存限制通常不适用。因此，本书详尽阐述了迭代法，包括雅可比法、高斯-赛德尔法，以及更高效的Krylov子空间方法，如共轭梯度法（CG）、广义最小残量法（GMRES）及其预条件子的构造策略。 第二部分：复杂流体动力学模拟 本部分将理论应用于经典的连续介质动力学，为后续更精细的等离子体模拟打下基础。 可压缩流体动力学（CFD）： 重点讨论了求解Navier-Stokes方程组的数值技巧。我们深入研究了处理激波和不连续结构的方法，包括Godunov型高分辨率格式（如Roe, HLLC, AUSM+等），它们是现代冲击波模拟的核心。此外，我们也探讨了处理网格自适应（AMR）技术，以在保持计算效率的同时，精确捕捉局部物理现象。 磁流体力学（MHD）方程组的数值求解： MHD是连接流体和电磁场的桥梁。本书着重讨论了MHD模拟中的一个核心挑战——保持磁场无散度约束 ($ abla cdot mathbf{B} = 0$)。我们将对比几种主流的约束条件处理技术，例如投影法、Powell源项惩罚法，以及更具鲁棒性的散度清除算法（Divergence Cleaning）。 第三部分：多尺度与动力学模拟前沿 本部分迈向更精细的、需要考虑粒子行为的等离子体模拟领域，探讨如何跨越不同的时间与空间尺度。 玻尔兹曼方程与矩方法： 当宏观近似（如MHD）失效时，我们需要诉诸更基础的描述。本书介绍了如何数值求解玻尔兹曼方程。鉴于直接求解玻尔兹曼方程的维度灾难，我们详细阐述了矩展开方法，特别是流体模型（如Generalized Ohm's Law models）的推导与数值实现，以及如何通过更高阶矩（如Chapman-Enskog展开）来修正经典模型。 粒子模拟方法（PIC）： 粒子网格法（Particle-in-Cell, PIC）是研究等离子体微观过程和波动传播的有力工具。我们将细致讲解PIC循环的每个阶段：粒子运动的积分（例如使用Boris推子算法）、电磁场的插值、电荷/电流在网格上的分配，以及泊松方程的求解。重点分析了PIC模拟中常见的数值噪声来源及其抑制方法。 多尺度耦合策略： 现代等离子体物理现象往往横跨电子（皮秒级）到离子（微秒级），再到整体（毫秒级）的时间尺度。本书探讨了耦合不同尺度模型的方法论： 混合模型（Hybrid Methods）： 例如，电子采用流体描述，而离子采用PIC模拟。 时间尺度分离（Time-stepping Separation）： 如何设计具有不同时间步长的耦合算法，以兼顾全局稳定性和局部精度。 第四部分：高性能计算与应用 本书最后一部分关注如何将复杂的算法部署到现代高性能计算（HPC）架构上。 并行计算基础： 简要介绍MPI（Message Passing Interface）和OpenMP，讲解如何将空间离散化的数据结构合理地分布到多个计算节点上（如领域分解）。 GPU加速计算： 鉴于GPU在处理大量独立计算任务上的优势，我们探讨了使用CUDA或OpenCL框架对关键计算模块（如加密积分、矩阵向量乘法）进行加速的实践经验。 本书特色： 本书的重点不在于复现某一特定领域的成熟结论，而在于提供一套普适的、面向工程实现的计算工具箱。每一章都强调数值方法的设计哲学、潜在线性系统与刚性问题，并引导读者思考如何将这些抽象方法应用于具体物理问题的转化与求解中。通过大量的伪代码和算法流程图，读者可以系统性地构建自己的高效模拟程序。 ---

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，用一个词来形容，那就是“精确到近乎苛刻”。每一个术语的引入都经过了深思熟虑，每一个论证的步骤都力求无懈可击。虽然有时候这种严谨性会让阅读的节奏稍微放缓，因为你必须停下来仔细咀嚼那些专业词汇的确切含义，但正是这种不容置疑的精确性，保证了读者所接收到的信息的纯净度和可靠性。它仿佛在向读者发出挑战：这不是一本可以被快速翻阅的书，它要求你拿出对待科学研究应有的尊重和专注。对于希望建立扎实基础、避免日后产生错误理解的读者而言，这种“硬核”的表达方式，恰恰是最大的价值所在。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度确实令人敬佩，它不仅仅是一本入门读物，更像是对整个计算等离子体物理领域的一次高质量的“地图绘制”。我注意到作者在介绍完基础理论后，紧接着就引入了不同的数值方法及其适用场景，这种理论与实践的紧密结合，是很多同类书籍所欠缺的。它没有满足于停留在表面的描述，而是深入探讨了不同算法背后的物理假设、计算效率的权衡，甚至是对结果可靠性的评估标准。这对于希望未来能将所学知识应用于实际科研工作的人来说，提供了宝贵的实战指导，让我对未来可能遇到的数值难题有了预先的心理准备和解决思路的框架。

评分☆☆☆☆☆

我尤其欣赏作者在章节末尾设置的那些“思考题”或“进一步探索”的引导性描述。它们不是简单的课后练习，而更像是对读者思维的拓展和激励。这些部分往往会抛出一个开放性的问题，或者指出当前主流方法存在的局限性，促使读者思考“为什么是这样？”而不是仅仅满足于“它是这样”。这种鼓励批判性思维和主动探索的精神，才是真正的学术启蒙。它让这本书超越了传统教科书的范畴，成为了一本可以伴随研究生涯成长的参考书，每一次重读，也许都能在不同的知识背景下，发掘出作者当年留下的那些深层次的学术线索和前沿方向的预示。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，硬壳封面搭配精致的插图，散发着一种沉稳而专业的学者气息。初拿到手的时候，就能感受到纸张的质感相当不错，阅读起来非常舒适，即便长时间翻阅，眼睛也不会感到疲劳。内页的排版布局也十分讲究，疏密有致，关键公式和图表的引用都清晰明确，这对于需要反复查阅的专业书籍来说，无疑是一个巨大的加分项。清晰的结构和易读的版式，极大地提升了学习的效率，让人在面对复杂概念时，不至于被满屏的文字压得喘不过气。可以说，从物理层面的触感到视觉体验，这本书在细节处理上体现了出版社的专业水准，完全配得上它所承载的深奥知识体系。

评分☆☆☆☆☆

尽管我尚未深入探究到每一个复杂的数学推导细节，但从整体的叙述逻辑来看，作者在构建知识体系方面展现了极高的洞察力。他似乎很擅长抓住初学者的思维盲点，总能在关键转折点提供直观的物理图像或类比，这比那些纯粹堆砌公式的教材要人性化得多。特别是对于等离子体这种抽象概念的阐释，作者没有直接跳入高深的理论，而是循序渐进，从宏观现象入手，逐步剖析微观机制，这种层层递进的处理方式，极大地降低了初次接触该领域的心理门槛。那种仿佛有一位经验丰富的导师在身边耐心指导的感觉，贯穿了整本书的阅读过程，让人感到既严谨又不失温度。