Introduction to Fluid Mechanics（流体力学入門）

引用

Nakayama, Y. (2018). Introduction to Fluid Mechanics (2nd ed.). Butterworth-Heinemann.

章の要約

第2版は約380ページで、16の短い章、問題の解答、記号一覧、16ページのカラー口絵、索引からなる。著者の中山泰喜は流体力学と流れの可視化の専門家で、可視化情報学会の会長を務め、Journal of Visualization の共同創刊者でもあった。出版社によれば、著者はこの版が出る前の2016年に亡くなっている。初版（1999年）は R. F. Boucher との共著であった。出版社は本書を、流れのパターンの鮮明な画像とアニメーションを使って流体のふるまいの基本法則を示し、より込み入った数学的手法に入る前に日常の例で文脈を与え、進み具合を確かめる演習を備えたものと説明している。第2版は全面的に改訂・増補され、計算流体力学の扱いが離散化手法にもとづいて作り直されたとされる。

第1〜3章：流体力学の歴史、流体の特性、流体静力学

短い歴史の導入（7ページ）に続き、物質を流体たらしめる性質と、静止した流体の力学を扱う。これらの章は、本書の残りが土台とする定義と、圧力および静水力学の結果を提供する。

第4〜5章：流れの基礎、一次元流れ：流れの諸量の保存の仕組み

流れの基本的な記述に続き、一次元流れを扱う。章題全体が示すとおり、この章は流れの諸量の保存、すなわち以後の章で使われる中核的な原理を示すために使われる。

第6〜8章：粘性流体の流れ、管内の流れ、開水路の流れ

粘性の効果と、それが工学上もたらす帰結を、二つの古典的な場面、すなわち管内の流れと開水路の流れで扱う。

第9章：抗力と揚力

流体中を動く物体に働く力。物体まわりの流れが扱われる章である。

第10〜11章：次元解析と相似則、流速と流量の測定

模型試験の基礎となる次元解析と相似を扱い、続いてこの分野の実験的な側面、すなわち流速と流量をどう測るかを扱う章がある。

第12〜14章：理想流体の流れ、圧縮性流体の流れ、非定常流れ

基本的な内容を広げる三つの章。理想（非粘性）流体の流れ、圧縮性流れ、非定常流れである。いずれも15〜20ページほどの短い章である。

第15〜16章：計算流体力学、流れの可視化

本書は二つの手法の章で終わる。35ページと最も長い章の一つである計算流体力学の章は、出版社によればこの版で離散化手法を中心に全面的に作り直されたもので、流れの問題の数値解法を導入する。著者の専門である流れの可視化の章は、従来の可視化手法とコンピュータによる可視化手法をいろいろ説明し、その選び方を示す。

主要概念

第1〜5章：基礎

• 流体の性質：流体を区別し、そのふるまいを支配する特性。
• 流体静力学：静止した流体中の圧力と力。
• 流れの諸量の保存：一次元流れを通して導入される原理。

第6〜11章：粘性流れと工学的応用

• 粘性流れ：管や開水路を含め、粘性が流れをどう形づくるか。
• 抗力と揚力：周囲の流れが物体に及ぼす力。
• 次元解析と相似：問題を無次元の形に帰着させ、模型と実物の流れを関係づけること。
• 流れの計測：流速と流量を測る方法。

第12〜16章：さらなる話題と手法

• 理想流体の流れ：粘性を無視して扱う流れ。
• 圧縮性流れと非定常流れ：密度が変化する流れや、条件が時間とともに変わる流れ。
• 計算流体力学：離散化による流れの問題の数値解法。
• 流れの可視化：実験的に、またコンピュータによって流れのパターンを目に見えるようにすること。

批判的分析

長所

• 可視化の専門家による視覚的なアプローチ。 出版社は流れのパターンの画像とアニメーションを主題への入口として強調しており、本書は可視化手法の章で終わり、カラー口絵も収められている。この重点の背後には、流れの可視化に捧げられた著者の経歴がある。
• 短い本で広い範囲。 本文350ページ足らずの16章で、静力学、粘性流れ・管内流・開水路流、抗力と揚力、相似、計測、理想流体・圧縮性・非定常流れ、そしてCFDまでを扱っており、幅広さを必要とする最初の授業に向いている。
• 理論と並ぶ計測と計算。 流れの計測、CFD、可視化にそれぞれ独立した章があることで、純粋に解析的な入門書では得られない位置を実験的手法と計算手法に与えている。
• 解答付きの演習。 問題が収められ、巻末に解答がある。出版社によれば、例題と演習はさまざまな工学分野から取られている。

短所

• 短い章。 ほとんどの章は15〜35ページで、各トピックは発展されるというより導入されるにとどまる。本格的な工学の授業で試験に備える学生には、この分量の本に収まる以上の例題が必要になるかもしれない。
• 発展的な話題は導入のみ。 理想流体、圧縮性流れ、非定常流れはそれぞれ15〜22ページほどで、最初に知るには足りるが、これらを深く必要とする学生にはより本格的な教科書が必要になる。

コースにおける位置づけ

Nakayama の本は流体力学のリストにある2冊の入門書の1冊で、コンパクトで視覚的な最初の教科書を求めるなら選ぶべき本である。Lauga の Fluid Mechanics: A Very Short Introduction は計算をほとんど含まない概念面の概観で、物理的な考え方のために Nakayama の最初の数章と並行して読み、手法と演習には Nakayama を使うとよい。Young、Munson、Okiishi の A Brief Introduction to Fluid Mechanics と White と Xue の Fluid Mechanics は、より大きな問題集を備えた本格的な工学の教科書である。Nakayama はそれらの前の最初の読み物として、あるいはそのどちらかを授業の教科書にしながらの視覚的な伴走書として役立つ。

最初の授業の後では、Kundu、Cohen、Dowling、Capecelatro の Fluid Mechanics が粘性流れ、理想流体、非定常流れをはるかに先まで進める大学院レベルの教科書であり、Anderson の Fundamentals of Aerodynamics は第9章と第13章の内容（抗力と揚力、圧縮性流れ）を航空宇宙系の学生向けに発展させる。

本書の使い方

出版社は、機械、土木、化学、生体医工学、航空宇宙などの工学分野で初めて流体に取り組む読者を対象としている。大学1年の微積分と入門的な力学が妥当な前提知識である。

• 最初の授業の中核： 第2〜10章（流体の特性と静力学、流れの基礎、一次元流れ、粘性流れ・管内流・開水路流、抗力と揚力、次元解析）。第1章は短い歴史の導入で、読むかどうかは任意である。
• 実験・実習： 流速と流量の測定を扱う第11章を、可視化を扱う第16章とともに、実習の前か実習中に読む。
• シラバスに応じたさらなる話題： 理想流体・圧縮性・非定常流れを扱う第12〜14章。CFDの第15章は、専門の計算科目の前の最初の手がかりとなる。

図とカラー口絵を積極的に使い、ある節の式を読む前に、描かれた流れが何をしているかを言葉で説明してみるとよい。章末問題を解いて巻末の解答と照らし合わせ、授業がより多くの演習を求める場合は、より大部の教科書の問題で補うとよい。