Fluid Mechanics（流体力学）

引用

Kundu, P. K., Cohen, I. M., Dowling, D. R., & Capecelatro, J. (2024). Fluid Mechanics (7th ed.). Academic Press (Elsevier).

章节概要

第七版有十五个印刷章节、另有一个仅限线上的章节，以及四个附录。出版社统计书中有144个例题和568道习题，其中10个例题和66道习题是本版新增，此外还有使用MATLAB的计算类例题和习题。出版社还说明，大部分正文经过重写，章节顺序也作了调整。本书由皮久什·昆杜（Pijush Kundu）和艾拉·科恩（Ira Cohen）开创，大卫·道林（David Dowling）和杰西·卡佩莱托（Jesse Capecelatro）完成了这一修订版。

第1–3章：导论；笛卡尔张量；运动学

全书从导论开始，然后把数学语言——笛卡尔张量——放在物理内容之前，接着是描述流体运动的运动学。

第4–6章：守恒定律；涡量动力学；计算流体力学

守恒定律是动力学的核心。随后是涡量动力学，计算流体力学一章也排在这一位置，与出版社所说本版增加了计算内容相吻合。

第7–9章：理想流动；重力波；层流

三章经典分析：理想流动、重力波和层流。

第10–12章：边界层及相关主题；不稳定性；湍流

边界层引出流动何时变得不稳定的问题，进而引向湍流。

第13–15章：地球物理流体动力学；空气动力学；可压缩流动

全书以出版社点名的三个应用领域收尾：地球物理流体动力学、空气动力学和可压缩流动。

线上章节与附录

第16章“生物流体力学导论”仅限线上。附录包括换算系数、常数和流体性质；数学工具与资源；现代流体动力学的奠基人；以及可视化资源。

核心概念

第1–6章：基础

• 笛卡尔张量：简洁书写控制方程所用的记号。
• 运动学：不考虑成因时对流体运动的描述。
• 守恒定律：应用于流体的质量、动量和能量平衡。
• 涡量动力学：流动中的旋转如何演化。
• 计算流体力学：流动问题的数值求解。

第7–12章：经典流动

• 理想流动：无黏性的流动。
• 重力波：界面上由重力驱动的波动。
• 层流与边界层：黏性流动，以及靠近表面的薄层。
• 不稳定性与湍流：流动如何偏离稳定的层流运动。

第13–15章：应用

• 地球物理流体动力学：大气和海洋的大尺度流动。
• 空气动力学：在空气中运动的物体所受的力。
• 可压缩流动：密度变化不可忽略的流动。

评析

优点

• 一册之内范围广泛。 内容从张量和守恒定律出发，经过波动、不稳定性和湍流，直至地球物理流动、空气动力学和可压缩流动，据出版社说，既可用于研究生层次的第一门课，也可用于第二门课。
• 习题资源丰富。 568道习题和144个例题为教师和自学者提供了多个难度层次的材料；本版新增66道习题。
• 计算类例题。 新增的MATLAB例题和习题，以及计算流体力学一章，把经典分析与当前实践联系起来。
• 修订并重写。 出版社指出，为提高清晰度，大部分正文作了重写，章节顺序也经过调整。

局限

• 层次。 出版社面向高年级本科生和研究生，并说它适合只学过少量流体力学的高年级学生；但全书先讲笛卡尔张量和守恒定律，因此前面的章节在出现任何应用之前都偏重数学。
• 对专门方向而言广而不深。 空气动力学和可压缩流动各占一章，航空航天方向的读者需要专门的教材。
• 线上内容。 生物流体力学一章不在印刷本中。

在课程中的定位

在这门流体力学课程的书单中，Kundu是广泛的、面向研究生的论述。Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 和Nakayama的 Introduction to Fluid Mechanics（侧重流动可视化）是最温和的起点；A Brief Introduction to Fluid Mechanics 和White与Xue的 Fluid Mechanics 是讲授流体静力学、守恒定律和黏性流动的标准工程路径，其中White与Xue更为全面。Kundu随后把同一学科推得更远：张量记号、涡量、波动、不稳定性、湍流和地球物理流动。Anderson的 Fundamentals of Aerodynamics 是针对空气动力学和可压缩流动章节的专门后续读物。

如何使用本书

本书适合机械、土木、航空航天、化工和生物医学工程专业的高年级本科生和研究生，也适合物理、气象、地球物理和应用数学专业的学生。事先修过流体力学入门课程，并掌握矢量微积分和微分方程，会让阅读轻松得多。

对于研究生的第一门课，可通读第2至5章和第7章，再从第9至12章中选读。第13至15章按课程侧重选择：地球物理流动、空气动力学或可压缩流动。利用计算类一章和例题中的MATLAB习题来补充数值方面的内容，并把附录，尤其是数学工具，当作参考。568道习题足够分层布置：每章用少量例题和习题检查理解，把较难的习题留给课程核心的主题。附录还列出了可视化资源和现代流体动力学的奠基人，可在阅读各章时参考背景。