Fundamentals of Aerodynamics（空氣動力學基礎）

引用

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

章節概要

全書分四部分，共二十章。出版社稱這是一本寫給學生的教材，文風清晰、輕鬆、直接，像是在與讀者交談。各部分從一般原理出發，經無黏不可壓縮流動、無黏可壓縮流動，最後到黏性流動。

第一部分 第1–2章：空氣動力學：一些引導性的思考；空氣動力學：一些基本原理和方程

第一章介紹本學科，第二章給出其餘部分所依賴的原理和方程。後續章節建立在這兩章之上，因此應在這裡把控制方程弄清楚。

第二部分 第3–6章：無黏不可壓縮流動

第3章「無黏不可壓縮流動基礎」發展基本理論。第4章「翼型上的不可壓縮流動」和第5章「有限翼展機翼上的不可壓縮流動」把它應用於兩類主要的升力面。第6章「三維不可壓縮流動」緊隨這兩個應用章節之後。

第三部分 第7–14章：無黏可壓縮流動

這是最長的部分。第7章「可壓縮流動：一些初步問題」開篇，隨後是第8章「正激波及相關問題」和第9章「斜激波與膨脹波」。第10章討論流經噴管、擴壓器和風洞的可壓縮流動。第11章「翼型上的亞聲速可壓縮流動：線性理論」和第12章「線化超聲速流動」給出兩個速度範圍的線性化理論。第13章「非線性超聲速流動數值方法導論」轉向數值方法，第14章「高超聲速流動要點」結束這一部分。

第四部分 第15–20章：黏性流動

第15章「黏性流動基本原理與方程導論」開啟這一部分，第16章「一個特例：庫埃特流動」處理一個可精確求解的情形。第17章「邊界層導論」引向第18章「層流邊界層」和第19章「湍流邊界層」。第20章「納維–斯托克斯方程的解：若干例項」為全書收尾。

核心概念

第一部分：原理（第1–2章）

• 基本原理和方程：此後各章所應用的空氣動力學控制關係。

第二部分：不可壓縮流動（第3–6章）

• 無黏不可壓縮流動：低速下用於翼型和機翼理論的理想化流動模型。
• 翼型與有限翼展機翼：第4章和第5章處理的兩類升力面問題。
• 三維流動：二維模型不夠用的繞體流動。

第三部分：可壓縮流動（第7–14章）

• 正激波：跨過垂直於來流的激波，流動引數發生突變。
• 斜激波與膨脹波：超聲速流動轉向時對應的現象。
• 噴管、擴壓器與風洞：截面積變化的管道中的可壓縮流動。
• 線化理論：翼型上亞聲速和超聲速流動的小擾動處理。
• 高超聲速流動：第14章介紹的高馬赫數範圍。

第四部分：黏性流動（第15–20章）

• 庫埃特流動：作為第一個精確解使用的簡單黏性流動。
• 層流與湍流邊界層：緊貼表面的薄黏性層，分別在不同章節中處理。
• 納維–斯托克斯方程的解：完整黏性方程的求解例項。

評析

優點

• 從低速到高超聲速及黏性流動的完整脈絡。 四個部分帶讀者用同一位作者、同一套記號，在一本書中走完不可壓縮、可壓縮和黏性空氣動力學。
• 為學習者而寫。 出版社強調面向學生的清晰、輕鬆、直接的文風，並把它定位為一本要讀懂的書，而不只是用來查閱。
• 可壓縮流動篇幅充足。 二十章中有八章講無黏可壓縮流動，從激波和噴管到線化理論和高超聲速流動，對需要高速流動內容的讀者而言佔了全書很大一部分。
• 便於取捨的結構。 分成四個部分，教師或自學者可以先走不可壓縮的路線，再按課程需要加入可壓縮或黏性流動。

侷限

• 篇幅與廣度。 全書二十章，內容多於一門課程通常能覆蓋的範圍，讀者需要選擇學習路線。
• 假定已學過流體力學。 本書從空氣動力學原理而不是流體靜力學或流體性質起步，因此最好在學過入門流體力學之後再讀。
• 計算部分僅限入門。 數值方法在第13章中針對超聲速流動介紹，第20章只給出若干選定的納維–斯托克斯解；需要計算流體力學的讀者還要另備專門教材。

在課程中的定位

在這門流體力學課程中，Anderson是空氣動力學的專門教材。Young、Munson和Okiishi的 A Brief Introduction to Fluid Mechanics 是對流體靜力學、守恆定律和流動分析的易讀入門，Nakayama的 Introduction to Fluid Mechanics 藉助流動照片講解同樣的基礎，Lauga的 Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 則是不涉及專業數學的概覽。這些書都可以為讀Anderson做準備。

White和Xue的 Fluid Mechanics 是同時涵蓋邊界層、勢流和可壓縮流動的綜合性工程教材，自然可以作為黏性流動和可壓縮流動部分的配套讀物。Kundu、Cohen、Dowling和Capecelatro的 Fluid Mechanics 是講授控制方程的研究生水平教材，想要更多理論的讀者可在讀完Anderson第二部分和第四部分後接著讀。Anderson聚焦於機翼、激波、邊界層和高速流動，而不是整個流體力學。

如何使用本書

本書適合修讀專門空氣動力學課程的航空航天和機械工程學生。需要事先學過微積分、微分方程和入門流體力學；讀可壓縮流動各章時，熱力學知識也有幫助。

第一門空氣動力學課程的實用安排：

• 核心： 第1–5章，建立原理以及翼型和有限翼展機翼的不可壓縮理論。
• 可壓縮流動： 激波、膨脹波和噴管流動讀第7–10章；若課程講到高速翼型理論，再讀第11–12章。
• 黏性流動： 第15、17、18章提供納維–斯托克斯方程和層流邊界層的入門，隨後第19章講湍流邊界層。
• 選讀： 第6、13、14、16、20章，視課程側重三維流動、數值方法、高超聲速還是黏性流動的精確解而定。

先認真學完不可壓縮各章再往下讀，因為可壓縮各章沿用同樣的守恆律思路。手邊備一本一般的流體力學教材，用來查閱流體性質和控制體的背景知識。