Introduction to Fluid Mechanics（流体力学导论）

引用

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

章节概要

第二版约380页，包括16个篇幅不长的章节、习题答案、符号表、16页彩色插页和索引。作者中山泰喜是流体力学和流动显示方面的专家，曾任日本可视化学会会长，也是 Journal of Visualization 的创办人之一；出版社指出，他于2016年去世，未能看到本版出版。第一版（1999年）是与 R. F. Boucher 合著的。出版社称本书借助清晰的流动图像和动画来展示流体行为的基本规律，在进入较复杂的数学方法之前先用日常例子提供背景，并配有检验学习进度的练习。第二版据称经过全面更新和扩充，计算流体力学部分以离散化方法为基础重新编写。

第1–3章：流体力学史；流体的特性；流体静力学

先是简短的历史引言（7页），然后讲述使物质成为流体的性质以及静止流体的力学。这几章提供了全书其余部分所依赖的定义，以及压强和流体静力学的结果。

第4–5章：流动基础；一维流动：流动量守恒的机理

先是对流动的基本描述，随后讲一维流动；正如其完整章名所示，这一章用来阐述流动量的守恒，即后续各章所运用的核心原理。

第6–8章：黏性流体的流动；管内流动；明渠流动

黏性的影响，以及它在两种经典场合中的工程后果：管道内的流动和明渠中的流动。

第9章：阻力与升力

在流体中运动的物体所受的力，这是全书讨论绕物体流动的一章。

第10–11章：量纲分析与相似律；流速与流量的测量

量纲分析与相似性是模型试验的基础，随后一章讲本学科的实验方面：如何测量流速和流量。

第12–14章：理想流体的流动；可压缩流体的流动；非定常流动

三章扩展基础内容：理想（无黏）流体的流动、可压缩流动和非定常流动。每章都很短，约15到20页。

第15–16章：计算流体力学；流动显示

全书以两章方法性内容结束。计算流体力学一章长35页，是篇幅最长的章节之一；出版社称本版以离散化方法为中心对其进行了全面改写，介绍流动问题的数值求解。流动显示是作者的专长，这一章介绍多种传统的和计算机化的显示方法，以及如何在其中进行选择。

核心概念

第1–5章：基础

• 流体性质：区分流体并支配其行为的特性。
• 流体静力学：静止流体中的压强与作用力。
• 流动量守恒：通过一维流动引入的原理。

第6–11章：黏性流动与工程应用

• 黏性流动：黏性如何影响流动，包括管内和明渠中的流动。
• 阻力与升力：周围流动施加在物体上的力。
• 量纲分析与相似性：把问题化为无量纲形式，并把模型流动与实际流动联系起来。
• 流动测量：测量流速和流量的方法。

第12–16章：进一步的主题与方法

• 理想流体流动：不考虑黏性的流动。
• 可压缩流动与非定常流动：密度变化或条件随时间变化的流动。
• 计算流体力学：通过离散化对流动问题进行数值求解。
• 流动显示：用实验方法和计算机使流动图案可见。

评析

优点

• 出自流动显示专家的直观方法。 出版社强调以流动图像和动画作为入门途径，全书以介绍显示方法的一章结束，并收有彩色插页。作者在流动显示领域的毕生工作是这一侧重点的背景。
• 篇幅不大而覆盖面广。 不到350页正文的16章涵盖了静力学、黏性流动、管流和明渠流、阻力与升力、相似性、测量、理想流体、可压缩与非定常流动以及计算流体力学，适合需要广度的第一门课程。
• 测量与计算与理论并重。 流动测量、计算流体力学和流动显示各有独立章节，使实验方法和计算方法获得了纯解析性入门书所不能提供的位置。
• 附答案的习题。 书中配有习题，书末附答案；出版社称例题和习题取自多个工程领域。

局限

• 章节较短。 大多数章节只有15到35页，每个主题与其说是展开，不如说是引入；准备完整工程课程考试的学生，可能需要比这样篇幅的书所能容纳的更多的例题。
• 高级主题仅作入门。 理想流体、可压缩流动和非定常流动各约15到22页，足以初步了解；需要深入掌握这些内容的学生要借助更完整的教材。

在课程中的定位

Nakayama 的书是流体力学书目中的两本入门书之一，如果需要一本紧凑而直观的第一本教材，就应选它。Lauga 的 Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 是几乎不含计算的概念概览：可以与 Nakayama 的前几章同时阅读以把握物理思想，方法和练习则用 Nakayama。Young、Munson 和 Okiishi 的 A Brief Introduction to Fluid Mechanics 以及 White 和 Xue 的 Fluid Mechanics 是习题更多、内容更完整的工程教材：Nakayama 适合在它们之前作为入门读物，或在以其中一本为课程教材时作为直观的伴读书。

学完第一门课程之后，Kundu、Cohen、Dowling 和 Capecelatro 的 Fluid Mechanics 是把黏性流动、理想流体和非定常流动推进得远得多的研究生水平教材，Anderson 的 Fundamentals of Aerodynamics 则为航空航天专业的学生发展了第9章和第13章的内容（阻力与升力、可压缩流动）。

如何使用本书

出版社面向的是在机械、土木、化工、生物医学、航空航天等工程领域初次接触流体的读者。大学一年级的微积分和入门力学是合适的基础。

• 第一门课程的核心： 第2–10章（流体特性与静力学、流动基础、一维流动、黏性流动、管流和明渠流、阻力与升力、量纲分析）。第1章是简短的历史引言，可以选读。
• 实验课： 在实验课之前或期间，阅读讲流速和流量测量的第11章以及讲流动显示的第16章。
• 按大纲选学的进一步主题： 讲理想流体、可压缩流动和非定常流动的第12–14章；第15章计算流体力学可在专门的计算课程之前作为初步了解。

主动利用插图和彩色插页：在阅读某一节的方程之前，先用文字描述图中的流动在做什么。完成章末习题并对照书末答案，若课程要求更多练习，再用更大部头教材中的习题加以补充。