Fluid Mechanics（流體力學）

引用

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

章節概要

第七版有十五個印刷章節、另有一個僅限線上的章節，以及四個附錄。出版社統計書中有144個例題和568道習題，其中10個例題和66道習題是本版新增，此外還有使用MATLAB的計算類例題和習題。出版社還說明，大部分正文經過重寫，章節順序也作了調整。本書由皮久什·昆杜（Pijush Kundu）和艾拉·科恩（Ira Cohen）開創，大衛·道林（David Dowling）和傑西·卡佩萊托（Jesse Capecelatro）完成了這一修訂版。

第1–3章：導論；笛卡爾張量；運動學

全書從導論開始，然後把數學語言——笛卡爾張量——放在物理內容之前，接著是描述流體運動的運動學。

第4–6章：守恆定律；渦量動力學；計算流體力學

守恆定律是動力學的核心。隨後是渦量動力學，計算流體力學一章也排在這一位置，與出版社所說本版增加了計算內容相吻合。

第7–9章：理想流動；重力波；層流

三章經典分析：理想流動、重力波和層流。

第10–12章：邊界層及相關主題；不穩定性；紊流

邊界層引出流動何時變得不穩定的問題，進而引向紊流。

第13–15章：地球物理流體動力學；空氣動力學；可壓縮流動

全書以出版社點名的三個應用領域收尾：地球物理流體動力學、空氣動力學和可壓縮流動。

線上章節與附錄

第16章「生物流體力學導論」僅限線上。附錄包括換算係數、常數和流體性質；數學工具與資源；現代流體動力學的奠基人；以及視覺化資源。

核心概念

第1–6章：基礎

• 笛卡爾張量：簡潔書寫控制方程所用的記號。
• 運動學：不考慮成因時對流體運動的描述。
• 守恆定律：應用於流體的質量、動量和能量平衡。
• 渦量動力學：流動中的旋轉如何演化。
• 計算流體力學：流動問題的數值求解。

第7–12章：經典流動

• 理想流動：無黏性的流動。
• 重力波：介面上由重力驅動的波動。
• 層流與邊界層：黏性流動，以及靠近表面的薄層。
• 不穩定性與紊流：流動如何偏離穩定的層流運動。

第13–15章：應用

• 地球物理流體動力學：大氣和海洋的大尺度流動。
• 空氣動力學：在空氣中運動的物體所受的力。
• 可壓縮流動：密度變化不可忽略的流動。

評析

優點

• 一冊之內範圍廣泛。 內容從張量和守恆定律出發，經過波動、不穩定性和紊流，直至地球物理流動、空氣動力學和可壓縮流動，據出版社說，既可用於研究生層次的第一門課，也可用於第二門課。
• 習題資源豐富。 568道習題和144個例題為教師和自學者提供了多個難度層次的材料；本版新增66道習題。
• 計算類例題。 新增的MATLAB例題和習題，以及計算流體力學一章，把經典分析與當前實踐聯絡起來。
• 修訂並重寫。 出版社指出，為提高畫質晰度，大部分正文作了重寫，章節順序也經過調整。

侷限

• 層次。 出版社面向高年級本科生和研究生，並說它適合只學過少量流體力學的高年級學生；但全書先講笛卡爾張量和守恆定律，因此前面的章節在出現任何應用之前都偏重數學。
• 對專門方向而言廣而不深。 空氣動力學和可壓縮流動各佔一章，航空航天方向的讀者需要專門的教材。
• 線上內容。 生物流體力學一章不在印刷本中。

在課程中的定位

在這門流體力學課程的書單中，Kundu是廣泛的、面向研究生的論述。Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 和Nakayama的 Introduction to Fluid Mechanics（側重流動視覺化）是最溫和的起點；A Brief Introduction to Fluid Mechanics 和White與Xue的 Fluid Mechanics 是講授流體靜力學、守恆定律和黏性流動的標準工程路徑，其中White與Xue更為全面。Kundu隨後把同一學科推得更遠：張量記號、渦量、波動、不穩定性、紊流和地球物理流動。Anderson的 Fundamentals of Aerodynamics 是針對空氣動力學和可壓縮流動章節的專門後續讀物。

如何使用本書

本書適合機械、土木、航空航天、化工和生物醫學工程專業的高年級本科生和研究生，也適合物理、氣象、地球物理和應用數學專業的學生。事先修過流體力學入門課程，並掌握向量微積分和微分方程，會讓閱讀輕鬆得多。

對於研究生的第一門課，可通讀第2至5章和第7章，再從第9至12章中選讀。第13至15章按課程側重選擇：地球物理流動、空氣動力學或可壓縮流動。利用計算類一章和例題中的MATLAB習題來補充數值方面的內容，並把附錄，尤其是數學工具，當作參考。568道習題足夠分層佈置：每章用少量例題和習題檢查理解，把較難的習題留給課程核心的主題。附錄還列出了視覺化資源和現代流體動力學的奠基人，可在閱讀各章時參考背景。