流體力學簡明導論

引用

Young, D. F., Munson, B. R., & Okiishi, T. H. (2004). A Brief Introduction to Fluid Mechanics (3rd ed.). Wiley.

章節概要

第三版共十一章，另有四個附錄（單位換算表、流體的物理性質、美國標準大氣的性質、雷諾輸運定理）、部分習題答案和索引，約560頁。出版社介紹把兩條指導原則概括為「簡明而聚焦」，並說作者講解基本的分析方法，涉及管流、明渠流、流量測量以及阻力與升力等實際問題和應用。每章末尾都有本章摘要與學習指南。目錄只給出章標題而沒有小節列表，因此下面的條目描述的是標題本身所指的內容。

第1章：導論（Introduction）

開篇一章；目錄只給出標題。

第2–3章：流體靜力學；初等流體動力學——伯努利方程（Fluid Statics; Elementary Fluid Dynamics—The Bernoulli Equation）

先講靜止的流體，再通過伯努利方程初步討論流體動力學。兩章合起來提供最初的實用工具：靜止流體中的壓力場，以及沿流線的一種簡單的能量型關係。

第4–5章：流體運動學；有限控制體分析（Fluid Kinematics; Finite Control Volume Analysis）

運動學說明如何描述流體運動，有限控制體分析則把守恆定律應用於一塊有限的流動區域。出版社指出，本版簡化了雷諾輸運定理的講法，該定理另有專門的附錄。

第6章：流體流動的微分分析（Differential Analysis of Fluid Flow）

對應於上一章有限控制體方法的、逐點的微分方法。

第7章：相似、量綱分析與建模（Similitude, Dimensional Analysis, and Modeling）

講量綱分析、相似和建模的一章，排在兩個主要應用領域之前。

第8–9章：管內黏性流動；繞過浸沒物體的流動（Viscous Flow in Pipes; Flow Over Immersed Bodies）

兩個應用章節。管流和阻力、升力都在出版社所列的實際問題之中，而阻力與升力屬於繞過浸沒物體的流動。

第10–11章：明渠流；渦輪機械（Open-Channel Flow; Turbomachines）

最後兩章講明渠中的流動和渦輪機械。明渠流同樣出現在出版社所列的應用之中。

核心概念

第1–3章：導論、流體靜力學、伯努利方程

• 流體靜力學：靜止流體中的壓力分布及其後果。
• 伯努利方程：沿流動聯絡壓力、速度和高度的初等關係式。

第4–7章：運動學、控制體、微分分析、相似

• 有限控制體分析：把守恆定律應用於空間中劃定的一塊區域。
• 雷諾輸運定理：把針對系統的定律轉化為關於控制體的陳述的結果，書中有專門的附錄。
• 微分分析：在一點而不是一個區域上描述流動。
• 量綱分析與相似：把問題化為無量綱組，使結果能在模型與原型之間換算。

第8–11章：黏性流動、浸沒物體、明渠與渦輪機械

• 管內黏性流動：管流，出版社點名的應用之一。
• 阻力與升力：流動中物體受到的力。
• 明渠流：帶自由表面的流動。
• 渦輪機械：與流體交換能量的機械，如泵和渦輪。

評析

優點

• 以簡明為設計目標。 出版社說明，兩條指導原則是簡明和聚焦。全書約560頁，共十一章。
• 大量例題與多樣的習題。 書中列有100多道例題，各章的作業題包括開放式問題、基於光碟影片的問題、實驗問題和計算機問題。
• 學習輔助。 第三版增加了頁邊的簡單插圖、本章摘要與學習指南、突出顯示的關鍵詞、簡化的雷諾輸運定理講法，以及每章新增的作業題。
• 多媒體材料。 隨書附送的光碟Fluid Mechanics Phenomena提供75個短影片、30道擴充套件的實驗型問題、Excel格式的實驗資料和168道複習題。

侷限

• 比完整的課程教材窄。 沒有可壓縮流動或勢流的章節，微分分析只有一章。涵蓋這些主題的課程需要一本更長的書。
• 較舊的媒體。 光碟是第三版的特色。使用沒有光碟的冊子或使用其他版本的讀者將得不到它。
• 版本差異。 上面的內容是第三版（2004年4月）的內容。後來的版本增加了作者並改變了內容，因此在把章節編號與上面的列表對照之前，請先核對版本。

在課程中的定位

Young、Munson與Okiishi的簡明教材是一學期流體力學入門課，用十一章講這門學科的主要構件。White與Xue的 Fluid Mechanics 是內容更全的替代選擇：其第九版同樣有十一章，但分配不同，增加了勢流與計算流體力學以及可壓縮流動兩章，並把微分關係式一章放在量綱分析之前。較短的、以應用為導向的課程選Young等人的書，需要更完整的推導和更寬覆蓋面的課程選White與Xue的書。

另外兩本書適合不同的起點。Nakayama的 Introduction to Fluid Mechanics 用真實流動的照片和插圖引入這門學科，也講管流和渠流、邊界層、阻力與升力，並初步介紹可壓縮流動和計算方法。Lauga的 Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 幾乎不用公式，是概念性的預覽。課程之外，Kundu、Cohen、Dowling與Capecelatro的 Fluid Mechanics 是從控制方程出發的研究生層次的論述，Anderson的 Fundamentals of Aerodynamics 則繼續講翼型、機翼和可壓縮流動。

如何使用本書

本書適合修一學期流體力學課程、想要學科核心內容及其應用的工科學生。目錄沒有說明預備知識；通常的背景是以微積分為基礎的物理課程。

• 核心： 依次讀第1–5章：性質、靜力學、伯努利方程、運動學和控制體分析。後面各章要用到這些工具。
• 應用： 第8章和第9章講管流和浸沒物體，是通常的下一步；第7章量綱分析與相似在書中排在它們之前。
• 選讀或視時間而定： 第6章的微分分析，以及第10章和第11章的明渠流與渦輪機械，視教學大綱而定。

做作業之前先過一遍各章的摘要與學習指南，並在條件允許時嘗試開放式和實驗類的習題。