水力學數學模型 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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許唯臨 著

圖書標籤:

• 水力學
• 數學模型
• 水文模型
• 數值計算
• 流體力學
• 工程應用
• 計算流體力學
• 水資源
• 環境工程
• 模型構建

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030259974

版次：31

商品编码：12316930

包装：精装

丛书名： 水科学数学模型丛书

开本：16开

出版时间：2018-02-01

页数：364

正文语种：中文

內容簡介

本書分為上、下兩部分。上半部分主要介紹紊流及伴隨紊流運動發生的傳熱、傳質問題的數學模型。首先介紹瞭紊流及其數學描述中的一些相關知識，然後詳細介紹瞭描述紊流運動的基本方程；介紹瞭求解基本方程的各類紊流模型，其中較詳細地介紹κ－ε模型、雷諾應力代數方程模型和微分方程模型；詳細介紹瞭數值求解過程及其相關方法。下半部分主要介紹針對不同對象的專題模型。其中包括潰壩洪水模型、滲流模型、復式河槽水流模型、彎道水流模型和求解雙麯型方程的特徵綫法等。本次修訂主要補充工程應用實例。

水利工程中的數學建模：從理論到實踐 書籍簡介 本書並非一本關於“水力學數學模型”本身的書籍，而是深入探討如何在水利工程的各個領域應用數學建模的理論與實踐。本書旨在為水利工程師、研究人員以及對水利工程數學分析感興趣的學生提供一套係統性的方法論和工具箱。我們不關注特定模型公式的推導，而是著重於理解不同工程問題所蘊含的物理過程，並以此為基礎，選擇、構建、求解、驗證和應用閤適的數學模型，以指導工程設計、優化運行、風險評估和決策支持。 核心內容 全書圍繞“問題診斷—模型選擇—模型構建—模型求解—模型驗證—模型應用—模型優化”這一核心流程展開。 第一部分：水利工程問題的數學化思維 在實際的水利工程問題中，往往存在各種不確定性、非綫性和復雜性。本部分將引導讀者如何將這些復雜的工程場景轉化為數學語言。我們將從以下幾個方麵入手： 現象的本質梳理： 任何工程問題的背後，都遵循著一定的物理規律。我們將強調如何識彆和提煉齣問題的核心物理過程，例如流體流動、水化學反應、泥沙輸移、地下水滲流、水體汙染物擴散等。 簡化與假設的藝術： 現實世界往往過於復雜，無法直接用數學方程完美描述。本部分將教授讀者如何根據工程目的和精度要求，對問題進行恰當的簡化和閤理的假設，從而構建可解的模型。我們將討論不同程度簡化所帶來的影響，以及如何在精確性和可計算性之間找到平衡。 變量與參數的識彆： 任何模型都離不開輸入變量、狀態變量和輸齣變量。本部分將指導讀者如何準確地識彆模型中的關鍵變量，並理解它們之間的相互關係。同時，也將闡述參數的意義，以及如何獲取或估算這些參數。 尺度問題與多尺度耦閤： 水利工程問題往往涉及不同的空間和時間尺度，從微觀的孔隙流到宏觀的流域徑流，從瞬時的水力衝擊到長期的氣候變化影響。本部分將探討如何處理這些尺度差異，以及如何進行多尺度模型的耦閤，以獲得更全麵的認識。 第二部分：模型選擇的智慧 麵對五花八門的水利工程問題，選擇一個恰當的數學模型是成功的關鍵。本部分將提供一個基於工程問題特性和應用目的的決策框架。 物理模型與經驗模型的辯證： 我們將深入分析基於物理定律（如納維-斯托剋斯方程、達西定律）構建的物理模型，以及基於觀測數據統計得到的經驗模型。在什麼情況下，哪種模型更具優勢？本書將通過大量實例分析，展示它們的適用範圍和局限性。 數值模型方法的分類與選擇： 隨著計算能力的提升，數值模型已成為解決復雜水利工程問題的強大工具。本部分將係統介紹有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法以及基於格點、不規則網格和無網格等不同數值離散方法的特點、優缺點及其在不同問題中的應用場景。 模型庫與開源工具的利用： 許多成熟的水利工程數學模型已經開發完成並廣泛應用。本部分將介紹一些常用的模型庫和開源軟件（如HEC-RAS, MIKE by DHI, Delft3D, OpenFOAM等），並指導讀者如何根據自身需求進行選擇和集成，避免重復造輪子。 過程導嚮與數據驅動模型： 在大數據時代，數據驅動模型（如機器學習、人工智能）在水利工程中的應用越來越廣泛。本部分將探討過程導嚮模型與數據驅動模型如何協同工作，發揮各自優勢，例如利用數據驅動方法優化物理模型的參數，或用物理模型解釋數據驅動模型的預測結果。 第三部分：模型構建與求解的藝術 一旦選定瞭模型類型，接下來就需要進行具體的模型構建和求解。本部分將深入探討模型方程的建立、離散化以及數值求解策略。 離散化技術的精講： 本部分將詳細講解不同數值方法的離散過程，如何將偏微分方程轉化為代數方程組。我們將通過具體的二維和三維算例，演示如何進行網格生成、邊界條件處理以及源項的離散。 數值求解器的選擇與優化： 代數方程組的求解是數值模型的核心。本部分將介紹迭代法、直接法等常用求解器的原理、適用條件和性能比較。同時，也將探討如何通過預條件、並行計算等技術來加速求解過程。 耦閤模型的設計與實現： 許多復雜的水利工程問題需要耦閤多個子模型纔能解決，例如水動力與水質耦閤、水流與泥沙耦閤、地錶水與地下水耦閤。本部分將指導讀者如何進行耦閤模型的時空同步、信息傳遞和求解策略設計。 不確定性傳播與敏感性分析： 工程模型往往受輸入參數和初始條件的不確定性影響。本部分將介紹如何進行不確定性分析（如濛特卡洛模擬）和敏感性分析，以評估模型輸齣的可靠性，並識彆對結果影響最大的因素。 第四部分：模型驗證與不確定性評估 構建模型隻是第一步，確保模型的準確性和可靠性至關重要。本部分將聚焦於模型驗證的科學方法和不確定性評估的技術。 驗證數據的獲取與處理： 真實可靠的觀測數據是模型驗證的基礎。本部分將討論不同類型觀測數據的特點（如流量、水位、水溫、汙染物濃度等），以及如何進行數據的預處理、質量控製和有效利用。 模型驗證的指標與方法： 如何量化模型的模擬精度？本部分將介紹一係列常用的模型驗證指標，如均方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）、決定係數（R²）等，並討論不同指標的適用場景。同時，也將介紹留空法、交叉驗證等模型驗證策略。 模型校準的原則與技巧： 模型校準是縮小模型預測與觀測數據之間差距的關鍵步驟。本部分將闡述模型校準的基本原則，並介紹自動校準與手動校準相結閤的策略，以及常用的校準算法（如區域縮小法、遺傳算法等）。 模型不確定性的來源與評估： 模型不確定性來源於模型結構、參數以及輸入數據的誤差。本部分將深入探討這些不確定性的來源，並介紹如何通過後驗分布、置信區間等方法來量化模型的不確定性。 第五部分：模型應用與決策支持 最終，數學模型是為瞭解決實際工程問題，並為決策提供科學依據。本部分將展示模型在水利工程各個領域的廣泛應用，並探討如何將模型結果轉化為可操作的決策建議。 水動力模擬與洪水預報： 本部分將深入探討如何利用水動力模型模擬河流、湖泊、水庫等水體的流動過程，並將其應用於洪水預報、潰壩分析、排洪優化等場景。 水環境與水質模擬： 我們將講解如何構建水質模型，模擬汙染物在水體中的傳輸、轉化和衰減過程，從而為飲用水源保護、汙水排放控製、富營養化治理等提供決策支持。 泥沙運動與河道演變模擬： 泥沙輸移是影響河道形態和水利工程運行的重要因素。本部分將介紹如何利用泥沙模型模擬河道衝刷、淤積過程，並應用於河道治理、水庫清淤、航道維護等方麵。 地下水流動與汙染擴散模擬： 本部分將聚焦於地下水模型，模擬地下水的賦存、流動和相互作用，以及汙染物在地下水中的遷移擴散，為地下水資源開發利用、地下水汙染防治等提供科學依據。 流域綜閤模型與管理： 水利工程往往需要考慮整個流域的尺度。本部分將介紹如何構建流域綜閤模型，集成水文、水動力、水質、泥沙等多個子模型，以實現流域水資源、水環境和水生態的綜閤管理。 模型在風險評估與應急響應中的作用： 本部分將探討如何利用數學模型評估極端事件（如洪水、乾旱、滑坡）的潛在風險，並為製定應急預案、指導應急響應提供科學支持。 本書特色 注重工程實踐： 本書緊密結閤實際工程問題，通過大量的案例分析，展示數學模型的實際應用價值。 強調方法論： 我們不局限於介紹某個具體的模型，而是提供一套通用的解決問題的思維框架和方法論。 理論與實踐並重： 在講解數學模型基本原理的同時，也強調數值計算和軟件應用。 麵嚮讀者廣泛： 適閤不同層次的水利工程從業人員、研究人員和學生，幫助他們提升解決復雜工程問題的能力。 本書將引導讀者掌握一套強大的工具，用數學的語言去理解、分析和解決水利工程中的各種挑戰，為建設更安全、更可持續的水利工程貢獻力量。

评分☆☆☆☆☆

本書在介紹模型構建和求解方麵，提供瞭非常實用的指導。作者並非僅僅列舉模型，而是非常細緻地展示瞭從實際問題齣發，如何進行假設、選取閤適的模型、進行參數化，以及最終進行求解和結果分析的全過程。我尤其注意到書中關於模型不確定性的討論，作者強調瞭模型結果的局限性，以及如何通過敏感性分析和誤差分析來評估模型的不確定性。這對於我理解模型的可靠性和應用邊界非常有幫助。此外，書中還提及瞭一些常用的建模軟件和工具，雖然沒有進行詳細的操作演示，但這些信息為我後續的學習和實踐提供瞭寶貴的綫索。我能夠從中感受到作者的嚴謹和細緻，他不僅僅是傳授知識，更是教導一種科學的研究方法和思維方式。

评分☆☆☆☆☆

這本書給我最大的啓發在於，它打破瞭我對水力學研究的刻闆印象。我一直以為水力學就是關於水的流動和力的作用，是比較“硬核”的學科。但這本書讓我看到，數學在其中扮演的角色是如此關鍵和精妙。作者將抽象的數學語言轉化為描述水體運動的“密碼”，並且能夠通過這些“密碼”來解讀自然現象，甚至預測未來。我尤其對書中關於非牛頓流體在水利工程中的應用感到新奇，作者通過引入復雜的本構方程，來描述這些流體的獨特行為，這讓我看到瞭數學模型在解決非標準問題上的強大能力。這本書讓我認識到，數學不僅僅是計算工具，更是理解和改造世界的語言。

评分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我對“模型”這個概念有瞭更深層次的認識。我一直以為數學模型隻是用來計算和預測的工具，但這本書讓我意識到，模型更是對復雜事物的一種抽象和簡化，它能夠幫助我們抓住事物的本質，忽略不必要的乾擾。在水力學領域，這本書通過不同的模型，展現瞭作者如何將宏觀的水體運動，細膩到微觀的顆粒物傳輸，再到復雜的流體動力學現象。我尤其欣賞作者在講解這些模型時，對於其背後物理機製的深入剖析。他不會簡單地給齣公式，而是會詳細解釋每一個變量的含義，以及它們之間是如何相互作用的。這種對模型“靈魂”的挖掘，讓我不僅學會瞭如何“使用”模型，更學會瞭如何“理解”模型，以及如何根據實際情況“創造”新的模型。

评分☆☆☆☆☆

這本書的參考文獻部分也給我留下瞭深刻的印象。作者列舉瞭大量的國內外經典著作和前沿研究論文，這不僅體現瞭作者紮實的學術功底，也為讀者提供瞭進一步深入學習的寶貴資源。我注意到，作者在正文中引用某些理論或模型時，都會清晰地標注其來源，這使得讀者在遇到感興趣的內容時，能夠方便地追溯到原始文獻。這種嚴謹的學術態度，也讓我對書中內容的可靠性有瞭極大的信心。對於我來說，這本書不僅僅是一個知識的載體，更是一扇通往更廣闊學術海洋的門戶，它激發瞭我主動去探索和學習的欲望。

评分☆☆☆☆☆

這本書為我提供瞭一個全新的視角來理解水文學。我之前對水文學的認知大多停留在宏觀的降雨徑流模型，而這本書則將我帶入瞭一個更為精細化的領域——數學模型。作者詳細闡述瞭如何將水文學的各種過程，例如蒸發、滲透、地下水流動等，轉化為一係列數學方程和算法。我被書中關於地下水流動的模型構建過程深深吸引，作者通過對達西定律的講解，以及如何將其推廣到多孔介質中的復雜流動，讓我對地下水運動有瞭更為深入的理解。他還介紹瞭各種參數的識彆方法，以及模型校準和驗證的重要性。這讓我意識到，水文學的研究不僅僅是觀測和記錄，更是通過嚴謹的數學工具，去量化和預測自然現象。這本書極大地拓寬瞭我的視野，讓我看到瞭一個更為科學和係統化的水文學研究體係。

评分☆☆☆☆☆

我在閱讀過程中，最令我印象深刻的是作者的講解方式。他沒有像一些教科書那樣，上來就拋齣一堆枯燥的公式和定義，而是以一種循序漸進、層層遞進的方式，將復雜的概念一點點剝開。他善於運用生活中的例子來類比，比如描述水流的阻力時，會聯想到我們在水中遊泳時感受到的阻力，這種接地氣的解釋，讓原本抽象的物理原理變得生動形象。而且，在講解每一個數學模型時，作者都會詳細闡述其建立的背景、假設條件以及適用範圍，這對於理解模型背後的思想至關重要。他並沒有止步於單純的公式推導，而是更注重對模型物理意義的解讀，以及模型在實際工程中的應用價值。當我遇到一些難以理解的公式時，作者總能提供詳盡的推導過程，並配以清晰的圖示，讓我能夠一步步跟著思路走，最終豁然開朗。這種既有理論深度又不失實踐指導性的講解，讓我感到受益匪淺，仿佛一位經驗豐富的水利工程師正在我耳邊娓娓道來。

评分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計我一開始就被吸引瞭。封麵采用瞭深邃的藍色調，仿佛是平靜而又蘊藏著巨大力量的水體，上麵印著燙金的“水力學數學模型”幾個大字，莊重而不失學術氣息。當我翻開它時，紙張的質感也相當不錯，厚實而略帶啞光，手感溫潤，即使長時間翻閱也不會覺得疲勞。扉頁的設計簡潔大方，沒有過多冗雜的裝飾，直奔主題，讓人感受到一種嚴謹的治學態度。書脊的印刷清晰，即使擺放在書架上，也能一眼找到它。我特彆喜歡的是，它在一些重要的概念和公式旁，使用瞭略微不同的字體或底紋，這不僅增加瞭視覺上的層次感，也方便瞭我快速抓住重點。整體而言，這本書從外在的呈現，就給我一種物有所值的感覺，它不僅僅是一本傳遞知識的書，更像是一件值得珍藏的藝術品，散發著知識的魅力和對讀者的尊重。這種用心的設計，在如今快餐式的信息傳播時代，顯得尤為難得，它讓我對書中即將展開的知識內容充滿瞭期待，仿佛已經預見到瞭一場思想的盛宴。

评分☆☆☆☆☆

這本書最讓我驚喜的是它對數學模型在水利工程實際應用案例的深度挖掘。我原以為它會更側重於理論的推導和數學公式的講解，但沒想到作者在書中穿插瞭大量真實的項目案例，從大江大河的治理，到城市供水的優化，再到地下水資源的開發利用，幾乎涵蓋瞭水利工程的各個方麵。對於每一個案例，作者都詳細分析瞭其麵臨的挑戰，如何運用特定的數學模型來分析和解決問題，以及模型預測結果與實際情況的對比。我尤其對書中關於潰壩模擬的部分印象深刻，作者通過一個具體的案例，詳細介紹瞭如何利用數值模型來預測潰壩洪水演進的路徑和影響範圍，並在此基礎上製定應急預案。這種理論與實踐的緊密結閤，讓我深刻體會到瞭數學模型在保障人民生命財産安全方麵所起到的關鍵作用。它不僅僅是一堆冰冷的數字和公式，更是解決現實世界復雜問題的有力工具。

评分☆☆☆☆☆

我非常欣賞書中對不同尺度水體運動建模的闡述。作者從宏觀的流域水文模型，到中觀的河流動力學模型，再到微觀的湍流模型，層層遞進，展現瞭不同尺度下水體運動的獨特性以及建模方法的演變。對於宏觀的流域水文模型，我瞭解到如何將降雨、蒸發、徑流等過程整閤到一個統一的框架下進行模擬；對於中觀的河流動力學模型，我看到瞭如何描述河床演變、洪水傳播等現象；而對於微觀的湍流模型，我則驚嘆於作者如何通過復雜的偏微分方程來捕捉流體中細微的渦鏇和能量耗散。這種全方位的視角，讓我對水體運動的認識更加全麵和深入。

评分☆☆☆☆☆

我個人對書中關於水動力學模擬的講解非常感興趣。作者在這一部分花費瞭大量的篇幅，詳細介紹瞭不同類型的水動力學模型，包括但不僅限於淺水波模型、紊流模型以及多相流模型。他不僅羅列瞭這些模型的數學方程，更重要的是，他深入剖析瞭方程的物理意義，以及不同模型之間的聯係和區彆。我特彆欣賞作者在解釋這些復雜模型時，所采用的清晰邏輯和生動比喻。例如，在講解渦流模型時，他會將其與我們日常生活中觀察到的漩渦進行類比，幫助讀者建立直觀的理解。此外，書中還穿插瞭一些數值求解方法的介紹，例如有限差分法、有限元法等，雖然我不是這方麵的專傢，但作者的講解讓我對這些方法的原理有瞭初步的認識。總而言之，這部分內容為我打開瞭理解水體運動規律的新視角，也激發瞭我進一步探索相關領域的興趣。