Introduction to Fluid Mechanics（流體力學導論）

引用

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

章節概要

第二版約380頁，包括16個篇幅不長的章節、習題解答、符號表、16頁彩色圖版與索引。作者中山泰喜是流體力學與流場可視化的專家，曾任日本可視化學會會長，也是 Journal of Visualization 的共同創辦人之一；出版社指出，他於2016年辭世，未能見到本版出版。第一版（1999年）是與 R. F. Boucher 合著。出版社表示本書藉由清晰的流場影像與動畫呈現流體行為的基本規律，在進入較複雜的數學方法之前先以日常例子提供背景，並附有檢驗學習進度的練習。第二版據稱經過全面更新與擴充，計算流體力學部分以離散化方法為基礎重新撰寫。

第1–3章：流體力學史；流體的特性；流體靜力學

先是簡短的歷史導論（7頁），接著講述使物質成為流體的性質以及靜止流體的力學。這幾章提供全書其餘部分所仰賴的定義，以及壓力與流體靜力學的結果。

第4–5章：流動基礎；一維流動：流動量守恆的機制

先是對流動的基本描述，接著談一維流動；如完整章名所示，這一章用來闡述流動量的守恆，也就是後續各章所運用的核心原理。

第6–8章：黏性流體的流動；管內流動；明渠流動

黏性的影響，以及它在兩種經典情境中的工程後果：管路內的流動與明渠中的流動。

第9章：阻力與升力

在流體中運動的物體所受的力，這是全書處理繞物體流動的一章。

第10–11章：因次分析與相似律；流速與流量的量測

因次分析與相似性是模型試驗的基礎，接著一章談本學門的實驗面：如何量測流速與流量。

第12–14章：理想流體的流動；可壓縮流體的流動；非定常流動

三章擴展基礎內容：理想（無黏）流體的流動、可壓縮流與非定常流動。每章都很短，約15到20頁。

第15–16章：計算流體力學；流場可視化

全書以兩章方法性內容作結。計算流體力學一章長35頁，是篇幅最長的章節之一；出版社表示本版以離散化方法為中心將其全面改寫，介紹流動問題的數值求解。流場可視化是作者的專長，這一章介紹多種傳統與電腦化的可視化方法，以及如何從中選擇。

核心概念

第1–5章：基礎

• 流體性質：區分流體並支配其行為的特性。
• 流體靜力學：靜止流體中的壓力與作用力。
• 流動量守恆：透過一維流動引入的原理。

第6–11章：黏性流動與工程應用

• 黏性流動：黏性如何影響流動，包括管內與明渠中的流動。
• 阻力與升力：周圍流動施加在物體上的力。
• 因次分析與相似性：把問題化為無因次形式，並把模型流動與實際流動連結起來。
• 流動量測：量測流速與流量的方法。

第12–16章：進一步的主題與方法

• 理想流體流動：不考慮黏性的流動。
• 可壓縮流與非定常流動：密度變化或條件隨時間變化的流動。
• 計算流體力學：透過離散化對流動問題進行數值求解。
• 流場可視化：以實驗方法與電腦使流動圖樣可見。

評析

優點

• 出自可視化專家的直觀方法。 出版社強調以流場影像與動畫作為入門途徑，全書以介紹可視化方法的一章作結，並收有彩色圖版。作者在流場可視化領域的長年研究是這個重點的背景。
• 篇幅不大而涵蓋面廣。 不到350頁正文的16章涵蓋靜力學、黏性流動、管流與明渠流、阻力與升力、相似性、量測、理想流體、可壓縮與非定常流動以及計算流體力學，適合需要廣度的第一門課。
• 量測與計算與理論並重。 流動量測、計算流體力學與流場可視化各有獨立章節，使實驗方法與計算方法獲得純解析性入門書無法提供的位置。
• 附解答的習題。 書中附有習題，書末附解答；出版社表示例題與習題取自多個工程領域。

局限

• 章節較短。 大多數章節只有15到35頁，每個主題與其說是發展，不如說是引介；準備完整工程課程考試的學生，可能需要比這種篇幅的書所能容納更多的例題。
• 進階主題僅作入門。 理想流體、可壓縮流與非定常流動各約15到22頁，足以初步認識；需要深入掌握這些內容的學生得借助更完整的教科書。

在課程中的定位

Nakayama 的書是流體力學書單中的兩本入門書之一，若需要一本精簡而直觀的第一本教科書，就該選它。Lauga 的 Fluid Mechanics: A Very Short Introduction 是幾乎不含計算的概念概覽：可與 Nakayama 的前幾章同時閱讀以掌握物理概念，方法與練習則用 Nakayama。Young、Munson 與 Okiishi 的 A Brief Introduction to Fluid Mechanics 以及 White 與 Xue 的 Fluid Mechanics 是習題更多、內容更完整的工程教科書：Nakayama 適合在它們之前作為入門讀物，或在以其中一本為課程教科書時作為直觀的伴讀書。

修完第一門課後，Kundu、Cohen、Dowling 與 Capecelatro 的 Fluid Mechanics 是把黏性流動、理想流體與非定常流動推進得遠得多的研究所程度教科書，Anderson 的 Fundamentals of Aerodynamics 則為航太系學生發展第9章與第13章的內容（阻力與升力、可壓縮流）。

如何使用本書

出版社鎖定的是在機械、土木、化工、生醫、航太等工程領域初次接觸流體的讀者。大學一年級的微積分與入門力學是合適的基礎。

• 第一門課的核心： 第2–10章（流體特性與靜力學、流動基礎、一維流動、黏性流動、管流與明渠流、阻力與升力、因次分析）。第1章是簡短的歷史導論，可選讀。
• 實驗課： 在實驗課之前或期間，閱讀談流速與流量量測的第11章以及談流場可視化的第16章。
• 依課綱選讀的進一步主題： 談理想流體、可壓縮流與非定常流動的第12–14章；第15章計算流體力學可在專門的計算課程之前作為初步認識。

主動運用插圖與彩色圖版：在閱讀某一節的方程式之前，先用文字描述圖中的流動在做什麼。完成章末習題並對照書末解答，若課程要求更多練習，再以篇幅更大的教科書中的習題補充。