Fluid Mechanics（流體力學）

引用

White, F. M., & Xue, H. (2021). Fluid Mechanics (9th ed.). McGraw Hill.

章節概要

第九版共十一章和五個附錄：流體的物理性質、可壓縮流動表、換算係數、柱座標系中的運動方程，以及實驗資料不確定度的估計。出版社介紹的是一種非正式、以學生為中心的寫作風格，「帶有互動講課的味道」，並把這門學科描述為「理論與實驗之間的明智折中」，書中提供實驗結果，作為理論的自然補充。McGraw Hill稱Frank White是長期從事教學的教師，寫過四本流體力學與傳熱方面的教材。目錄列出章標題而沒有小節列表，因此下面的條目描述的是各標題所指的內容。

第1章：導論（Introduction）

開篇一章；目錄只給出標題。

第2章：流體中的壓力分布（Pressure Distribution in a Fluid）

講壓力在流體內部如何變化的一章。出版社的更新說明提到，根據學生的反饋修訂了第2章至第7章，這幾章是「流體力學的骨幹」所在。

第3章：控制體的積分關係式（Integral Relations for a Control Volume）

針對控制體寫出的積分形式守恆定律。

第4章：流體流動的微分關係式（Differential Relations for Fluid Flow）

與第3章積分方法相對應的微分方法。

第5章：量綱分析與相似（Dimensional Analysis and Similarity）

講量綱分析與相似的一章，排在各應用章節之前。

第6–7章：管道中的黏性流動；繞過浸沒物體的流動（Viscous Flow in Ducts; Flow Past Immersed Bodies）

兩個應用章節：有黏性的管道流動，以及繞過置於來流中的物體的流動。印度版的附錄部分列有穆迪圖。

第8章：勢流與計算流體力學（Potential Flow and Computational Fluid Dynamics）

在McGraw Hill美國網頁上，本章題為「Potential Flow and Computational Fluid Dynamics」；印度版則列為「Potential Flow」。本章把經典勢流與計算流體力學入門結合在一起。

第9章：可壓縮流動（Compressible Flow）

講可壓縮流動的一章，附錄B有可壓縮流動表作為支援。

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

最後兩章講自由表面的渠道流動和渦輪機械。

核心概念

下面的解釋是對各章標題所點名概念的一般性定義。

第1–5章：壓力、控制體與相似

• 壓力分布：壓力在流體中如何變化，是第2章的主題。
• 控制體：空間中劃定的一塊區域，積分形式的守恆關係式就是針對它寫出的。
• 微分關係式：寫在一點上的流動方程。
• 量綱分析與相似：用無量綱組表達問題，使結果能在不同尺度之間轉用。

第6–9章：管道、浸沒物體、勢流與可壓縮流動

• 管道中的黏性流動：黏性摩擦起作用的內部流動。
• 繞過浸沒物體的流動：繞物體的外部流動。
• 勢流與計算流體力學：理想化的流動解，以及求解流動的數值方法。
• 可壓縮流動：密度變化不可忽略的氣體流動。

第10–11章：明渠流與渦輪機械

• 明渠流：帶自由表面的流動。
• 渦輪機械：泵、渦輪及類似的機械。

評析

優點

• 有意為之的風格。 出版社說明，非正式、以學生為中心的風格在歷次修訂中得以保留並加強；McGraw Hill網頁引用的一位評論者（奧爾巴尼大學的John Paccione）稱這是一本打下很好基礎的教材，嚴謹而不令人望而生畏。
• 學科範圍廣。 十一章從基本關係式到量綱分析、黏性流動、外部流動、勢流、可壓縮流動、明渠和渦輪機械，因此本書既可用於第一門課，也可用於專題性的第二門課。
• 實驗與理論並重。 出版社說書中把實驗結果作為理論的補充，而附錄E關於實驗資料不確定度估計的內容印證了這一點。
• 大量習題。 印度版列出1,681道按主題分類的習題。版本說明還提到更新的例題和資料、修訂的插圖和照片，以及對可讀性的重視。

侷限

• 篇幅與廣度。 十一章內容紮實，又有可壓縮流動、勢流、明渠和渦輪機械等章，一學期的課程必須做出取捨；出版社的網頁沒有標明哪些章是選讀。
• 計算流體力學只佔一章的一部分。 在McGraw Hill美國網頁上，計算流體力學與勢流共用第8章，因此需要流動數值方法的學生還需要一本專門的教材。
• 地區差異。 印度版所列的第8章標題略有不同，附錄清單也與McGraw Hill美國網頁不同，請核對自己所持版本的目錄。

在課程中的定位

在本課程書單的兩本工程入門教材中，White與Xue的書內容更全。Young、Munson與Okiishi的 A Brief Introduction to Fluid Mechanics（第三版）以較短的篇幅涵蓋十一章，沒有可壓縮流動和勢流的章節；White與Xue增加了這兩章，並把微分關係式一章放在量綱分析之前。一學期的入門課選簡明教材；課程涉及微分分析、可壓縮流動或渦輪機械，或打算把書當作後續課程的參考書時，選White與Xue。

Nakayama的 Introduction to Fluid Mechanics 是更平易、以視覺化為主的替代選擇，Lauga的 Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 則以非數學的方式概述核心思想。研究生層次的下一步是Kundu、Cohen、Dowling與Capecelatro的 Fluid Mechanics，它從控制方程出發展開這門學科。對航空航天專業的學生，Anderson的 Fundamentals of Aerodynamics 繼續講翼型、機翼和可壓縮流動。

如何使用本書

本書面向修第一或第二門流體力學課程的機械、土木、化工和航空航天專業學生。出版社沒有列出預備知識；通常的背景是微積分和基礎力學。

• 核心： 第1–7章，從壓力分布經控制體、微分關係式、量綱分析，到管道流動和外部流動。出版社強調第2至第7章是這門學科的骨幹。
• 按課程新增： 第8章（勢流與計算流體力學）、第9章（可壓縮流動，配合附錄B的表）、第10章（明渠流）和第11章（渦輪機械），視教學大綱而定。
• 貫穿始終： 把按主題分類的章末習題和附錄中的表格當作標準的工作工具來使用。