Fundamentals of Aerodynamics（空气动力学基础）

引用

Anderson, J. D., Jr. (2024). Fundamentals of Aerodynamics (7th ed.). McGraw Hill.

章节概要

全书分四部分，共二十章。出版社称这是一本写给学生的教材，文风清晰、轻松、直接，像是在与读者交谈。各部分从一般原理出发，经无黏不可压缩流动、无黏可压缩流动，最后到黏性流动。

第一部分 第1–2章：空气动力学：一些引导性的思考；空气动力学：一些基本原理和方程

第一章介绍本学科，第二章给出其余部分所依赖的原理和方程。后续章节建立在这两章之上，因此应在这里把控制方程弄清楚。

第二部分 第3–6章：无黏不可压缩流动

第3章“无黏不可压缩流动基础”发展基本理论。第4章“翼型上的不可压缩流动”和第5章“有限翼展机翼上的不可压缩流动”把它应用于两类主要的升力面。第6章“三维不可压缩流动”紧随这两个应用章节之后。

第三部分 第7–14章：无黏可压缩流动

这是最长的部分。第7章“可压缩流动：一些初步问题”开篇，随后是第8章“正激波及相关问题”和第9章“斜激波与膨胀波”。第10章讨论流经喷管、扩压器和风洞的可压缩流动。第11章“翼型上的亚声速可压缩流动：线性理论”和第12章“线化超声速流动”给出两个速度范围的线性化理论。第13章“非线性超声速流动数值方法导论”转向数值方法，第14章“高超声速流动要点”结束这一部分。

第四部分 第15–20章：黏性流动

第15章“黏性流动基本原理与方程导论”开启这一部分，第16章“一个特例：库埃特流动”处理一个可精确求解的情形。第17章“边界层导论”引向第18章“层流边界层”和第19章“湍流边界层”。第20章“纳维–斯托克斯方程的解：若干实例”为全书收尾。

核心概念

第一部分：原理（第1–2章）

• 基本原理和方程：此后各章所应用的空气动力学控制关系。

第二部分：不可压缩流动（第3–6章）

• 无黏不可压缩流动：低速下用于翼型和机翼理论的理想化流动模型。
• 翼型与有限翼展机翼：第4章和第5章处理的两类升力面问题。
• 三维流动：二维模型不够用的绕体流动。

第三部分：可压缩流动（第7–14章）

• 正激波：跨过垂直于来流的激波，流动参数发生突变。
• 斜激波与膨胀波：超声速流动转向时对应的现象。
• 喷管、扩压器与风洞：截面积变化的管道中的可压缩流动。
• 线化理论：翼型上亚声速和超声速流动的小扰动处理。
• 高超声速流动：第14章介绍的高马赫数范围。

第四部分：黏性流动（第15–20章）

• 库埃特流动：作为第一个精确解使用的简单黏性流动。
• 层流与湍流边界层：紧贴表面的薄黏性层，分别在不同章节中处理。
• 纳维–斯托克斯方程的解：完整黏性方程的求解实例。

评析

优点

• 从低速到高超声速及黏性流动的完整脉络。 四个部分带读者用同一位作者、同一套记号，在一本书中走完不可压缩、可压缩和黏性空气动力学。
• 为学习者而写。 出版社强调面向学生的清晰、轻松、直接的文风，并把它定位为一本要读懂的书，而不只是用来查阅。
• 可压缩流动篇幅充足。 二十章中有八章讲无黏可压缩流动，从激波和喷管到线化理论和高超声速流动，对需要高速流动内容的读者而言占了全书很大一部分。
• 便于取舍的结构。 分成四个部分，教师或自学者可以先走不可压缩的路线，再按课程需要加入可压缩或黏性流动。

局限

• 篇幅与广度。 全书二十章，内容多于一门课程通常能覆盖的范围，读者需要选择学习路线。
• 假定已学过流体力学。 本书从空气动力学原理而不是流体静力学或流体性质起步，因此最好在学过入门流体力学之后再读。
• 计算部分仅限入门。 数值方法在第13章中针对超声速流动介绍，第20章只给出若干选定的纳维–斯托克斯解；需要计算流体力学的读者还要另备专门教材。

在课程中的定位

在这门流体力学课程中，Anderson是空气动力学的专门教材。Young、Munson和Okiishi的 A Brief Introduction to Fluid Mechanics 是对流体静力学、守恒定律和流动分析的易读入门，Nakayama的 Introduction to Fluid Mechanics 借助流动照片讲解同样的基础，Lauga的 Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 则是不涉及专业数学的概览。这些书都可以为读Anderson做准备。

White和Xue的 Fluid Mechanics 是同时涵盖边界层、势流和可压缩流动的综合性工程教材，自然可以作为黏性流动和可压缩流动部分的配套读物。Kundu、Cohen、Dowling和Capecelatro的 Fluid Mechanics 是讲授控制方程的研究生水平教材，想要更多理论的读者可在读完Anderson第二部分和第四部分后接着读。Anderson聚焦于机翼、激波、边界层和高速流动，而不是整个流体力学。

如何使用本书

本书适合修读专门空气动力学课程的航空航天和机械工程学生。需要事先学过微积分、微分方程和入门流体力学；读可压缩流动各章时，热力学知识也有帮助。

第一门空气动力学课程的实用安排：

• 核心： 第1–5章，建立原理以及翼型和有限翼展机翼的不可压缩理论。
• 可压缩流动： 激波、膨胀波和喷管流动读第7–10章；若课程讲到高速翼型理论，再读第11–12章。
• 黏性流动： 第15、17、18章提供纳维–斯托克斯方程和层流边界层的入门，随后第19章讲湍流边界层。
• 选读： 第6、13、14、16、20章，视课程侧重三维流动、数值方法、高超声速还是黏性流动的精确解而定。

先认真学完不可压缩各章再往下读，因为可压缩各章沿用同样的守恒律思路。手边备一本一般的流体力学教材，用来查阅流体性质和控制体的背景知识。