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流體力學的路線圖(之三)

武際可、黃克服兩位老先生的一篇文章《力學教材的簡單歷史》,后面附錄中有對流體力學教材的推薦書目,大家可以參考一下。 前面有網友讓我推薦熱力學方面的教材,我就不揣淺陋推薦一下。經典的熱力學教材推薦王竹溪先生寫的《熱力學》,另外去年在書店買到一本華中師范大學鄒邦銀老師寫的《熱力學與分子物理學》,感覺寫的也不錯,這里也推薦大家參考一下。鄒老師這本書除了講解經典的熱力學外,對氣體、液體、固體的微觀機制有很多通俗的描述,無論對于學生學習,還是老師做教學參考應該都有很大幫助。我接觸熱力學問題比較多的時候其實是在北航讀博士那段時間,此前也就是上過工程熱力學那門課而已。在博士階段由于要學習高超聲速理論,所以必然接觸到很多熱力學問題。當時李椿萱老師開的書單上包括Vincenti(維賽特)和Kruger,Jr(小克魯格)的《物理氣體動力學引論》這本書。雖然當時本人水平超低讀的半懂不懂的,但還是感覺這本書大大拓展我對熱力學的認識。博士畢業后我也斷斷續續讀過這本書,但一直是從圖書館借閱,閱讀過程總是被打斷,感覺總是學的不是很完整的樣子。去年終于在網上淘到一本舊書,有點如獲至寶的感覺,哈哈!

類似的書還有武、黃兩位先生在前面那篇文章中推薦的Bird寫的TransportPhenomena一書,我記得還有一本很早以前(大約40年代出版)的MolecularGas Dynamics,忘了作者名字,內容也是從分子動力學(現在叫動理學)角度研究氣體動力學問題,但是給我印象最深的還是前面提到的那本《物理氣體動力學引論》。這本書從剛球模型開始,逐步增加問題的復雜度,最終完整講述了分子動力學的基本理論,涵蓋了平衡理論、非平衡理論、化學反應理論等內容,確實是做高超聲速化學反應流問題必看的一本理論基礎書。其實流體力學除了前面兩個博客中提到的經典研究方法,即以連續介質理論為基礎的方法外,還有一個思路是所謂“物理流體力學”,即基于還原論思想的流體力學方法。這類方法從研究微觀現象入手,尋找宏觀流體力學的機理解釋,把流體力學納入物理學的范疇來研究,還是能大大拓展視野,幫助你站到更高的高度上去觀察思考流體力學中的問題。錢學森先生在《物理力學講義》中也采用了這個思路,不過涵蓋的面更廣。我記得還有一本書就叫《物理流體力學》,可惜也記不得作者和出版社了,只記得是國外作者寫的,國內似乎有翻譯,感興趣的可以到圖書館去淘一淘。

過去在我們論壇中曾經有一些網友爭論力學到底算不算是物理的一部分,我覺得這個問題似乎不是一個問題。只要稍微拓展一下眼界,把目光從流體力學這間房子中投射到窗戶外面,你就會發現流體力學(甚至力學)實際上就是物理這個社區中的一棟樓房。盡管這座房子有相對獨立的體系,但是本質上還是物理問題。另外我還覺得其實把學科劃分的那么嚴格,一定要分個明確的界線出來其實是不大可能的。因為學科劃分本來就是人為的,而客觀規律是實在的,把人為因素加入客觀過程,甚至去擾動客觀過程本身就是有問題的。科學的發展過程本身也證明自然本身是鮮活的,豐富多彩的,人為劃定學科在一定的歷史時期是有道理的,但是科學發展后,這種劃分也應該隨之發生變化。比如上面提到的還原論,其基本思想就是從微觀追尋宏觀科學的規律。這種方法在很大程度上獲得了成功,比如我們說的從分子運動論角度看待宏觀流體力學問題,但是在面對復雜性問題時則顯得無能為力。物理上把隨尺度變化后出現新現象的這類問題稱作層展現象(emergencephenomena),也就是說宏觀自有宏觀的問題,并不是所有宏觀問題都能從基本粒子的運動中分析出其原理的。我想形象點說,層展現象應該類似于每上一層樓看到的風景都有所不同的意思吧。還有一些網友讓我推薦一些可壓縮流的書。這方面的書在武、黃兩位先生的文章末尾已經有所推薦,我覺得其中Liepmann和Roshko的那本Elementsof Gasdynamics應該是最經典的。這本書不僅武、黃兩位先生推薦,國內外眾多老師提到氣體動理學時也必提這本書,因此就推薦這本書吧。另外我記得童秉綱先生寫過一本《氣動熱力學》也很好。國外的書我還看過Anderson的Hypersonicsand High Temperature Gasdynamics也不錯。我在論壇里陸陸續續推薦過Anderson寫的好幾本書,其它還包括Anderson寫的Fundamentalsof Aerodynamics和Introductionto Computational Fluid Dynamics等。Anderson寫的書有一個特點就是比較通俗易懂,雖說是英文書,但并沒有多少難以理解的表述。看了武際可、黃克服老師的那篇文章才知道,原來這是教材寫作上通俗化的一個潮流,原來還以為只有我這種水平偏低的家伙才喜歡Anderson呢,哈哈!

流體力學方面的書除了前兩個博客中提到的那幾本外,在書店里現在還能看到《普朗特流體力學基礎》這本書,是朱自強、錢翼稷等幾位老師翻譯的。書比較厚,大致翻了翻沒有細看,感覺比較適合在學習完流體力學后作為繼續學習的一本書來看。特別是那些即將成為流體工程師的網友應該看看這本書,里面講了流體力學在各個工程領域內的應用,可以讓你把學校學習到的流體力學基礎知識與工程問題很好地銜接起來。繼續深造準備做研究生的也應該看這本書,因為里面也提供了與流動穩定性、奇點劃分相關的內容。還有一本書是White寫的ViscousFluid Flow,這本書是MIT現在使用的流體力學教材,網上也有很好的口碑,應該也是不錯(我自己還沒看過)的,將來一定要翻出來好好看一看。湍流方面的書武、黃兩位老師集中推薦了三本書,都是非常有名的經典著作。除此之外,國內的教科書中,清華張兆順、崔桂香兩位老師寫的《湍流理論與模擬》也很好,我覺得看過這本書后就能跟搞湍流的同行們正常交流了。因此作為一個合理延續,也推薦大家看這本書。既然已經說到湍流,自然要提到旋渦和流動穩定性問題。流體力學中波和渦是兩大流動現象,牛人有云“旋渦是流體運動的肌腱”,可見學會旋渦是多碼的重要。旋渦方面公認寫的最好的書是吳介之、馬暉揚老師寫的《旋渦動力學》一書,這本書后來又出過一個英文版,應該是中文版的升級版,研究旋渦的網友肯定要看這本書。流動穩定性方面我看到的書中以Drazin的HydrodynamicStability最受人推崇,應該也是最經典的。

先寫這么多,再發現什么好書再向大家推薦。本人水平有限,還是希望學養深厚的老師們能現身說法,給我們介紹一下流體力學這個學科的架構,推薦更好的書上來。流體力學的發展基本上是與科學的整體發展相適應的。其爆發期就在20世紀初和20世紀中葉這兩個時期——20世紀初期的時候,人類發明了飛機、電話、電燈,稍晚建立了相對論、量子力學等重大理論。在此期間,風洞開始成為主流試驗設備,普朗特提出邊界層理論,建立現代流體力學體系;20世紀中葉,人類發明了計算機、汽車普及、人類登月、發現牛胰島素雙螺旋結構。與此同時,湍流模式理論建立、計算流體力學出現、可壓縮流理論大發展(面積律、超臨界翼型、跨音速理論、高超聲速理論貌似都是這個時期出現的)。另外湍流擬序結構是70年代發現的,距離60年代似乎也更近一些。普里高津的耗散結構理論,分形、混沌理論等我記得也是60、70年代提出的,只不過現在熟悉的人更多了而已。因此經典著作大部分都是那個時候出現的也就不奇怪了。

 流體力學的路線圖(結束語)

前面陸陸續續寫了三篇《流體力學的路線圖》,主要是推薦一些我認為值得一看的書。在寫這些東西時我心里默認的對象是剛剛開始學習流體力學的網友,希望給他們指點一下入門時需要了解的路線。流體力學專業的碩士、博士同學們應該以自己導師的指點為主要風向標,因為與我泛泛的指點相比,導師給您的指點必然更有針對性,也更適合你的工作需要。除此以外,流體力學本身內容非常豐富,可以歸屬于這面大旗下的分支學科也非常之多,比如我們馬上能想到的計算流體力學、實驗流體力學、空氣動力學、水動力學、流體機械、多相流理論、生物流體力學等等,在這些分支學科下面還有更小的分支,而我這篇路線圖僅僅限于流體力學基礎知識部分,遠未深入到各個分支中去,這點也請各位網友注意。

我在論壇中還曾經向大家推薦過2本計算流體力學方面的書,一本是Anderson的《計算流體力學入門》,另一本是Versteeg和Malalasekera的AnIntroduction to Computational Fluid Dynamics - The Finite Volume Method。這兩本書也僅僅是CFD中的一些基礎理論。之所以我認為這兩本書寫的不錯,是因為這兩本書恰好適應了我學習的需要。Anderson那本書主要講的是有限差分法,其基本理論方面的內容跟當年朱自強老師給我們上計算流體力學課時的內容差不多,因此我覺得有一種似曾相識的熟悉感,另外其中以氣體動力學為主與我做博士論文時涉及的內容非常吻合(Anderson本人就是做高超聲速計算的)。有這么多共鳴點,我當然覺得這本書非常“經典”,因此隆重向大家推薦過很多次。Versteeg和Malalasekera那本書主要講解有限體積法,而且詳細闡述了SIMPLE系列算法,可以算做給FLUENT軟件加的一個理論注釋。后來在學習使用FLUENT軟件時,自然需要學習了解這方面的內容,因此也向學習FLUENT軟件的網友們推薦過這本書。對了,我還向學習高分辨率格式的網友推薦過傅德薰、馬延文兩位老師寫的《計算流體力學》,因為那本書里面比較系統地闡述了高分辨率格式方面的理論。記得當年我在學習TVD格式時費了很多周折,大多數理論都是從一篇篇文獻上零散地學來的,經過很長時間的消化才形成一個相對完整的印象,效率非常低下。推薦這本書的原因就是覺得看看這本書,學習掌握高分辨率格式的效率可以大大提高。但是實際上CFD方面的圖書非常豐富,尤其是英文的CFD著作非常豐富,優秀作品也非常多,我推薦的這些僅僅是入門所需要的。深入學習還要靠各位網友自己去做分揀工作。借用Anderson的一句話,我做的那些推薦,istruely for beginners。可以做入門時的參考,但是深入研究、學習時還是要自己多看多思考,當然思考之后別忘了上流體中文網與我們分享一下你的成果 .另外還想提醒大家注意的一個問題就是什么書算“好書”的問題。我給別人的建議是多讀“名著”,因為那些“名著”都不是浪得虛名,而是有很多人看過、讀過,深受其益,然后再推薦給別人的書,很多“名著”都經歷了時間的考驗,至今為業內津津樂道,所以讀這樣的書最有保障,效率最高。而且“名著”往往出自大家手筆,對問題理解的深度、廣度和切入角度都有所不同,敘述上也會盡量簡潔明白,盡量通俗易懂。“開卷有益”這句話說的應該是看這些書對人有助益的意思。不過每個人的基礎、工作需要都不同,所謂“好書”的標準也會有所變化。判斷一本書是不是好書的一個簡單標準,是看你自己是否看得懂、是否感到讀過有收獲。比如Batchelor的那本書是公認的名著,即全面又有深度,但是初學者在學習的時候看這本書未必看得懂,因此也就未必是最合適的,反而是學習多年的人反過頭來看才能發現其中的妙處。但是也千萬別為了圖省事去看一些雜書,雜書表現形式上可能更“簡單”,更能滿足你期中、期末考試的需要,但它之所以“雜”,就因為那些書的作者自己都未必明白他自己寫的內容,所以很容易造成誤導,甚至增加新的不必要的困惑。這個度還是要自己把握,在看一些不是那么有名的書時,萬一遇到看不懂的地方,最好能切換到其它書,看看別的書是怎么敘述同樣內容的,很可能會發現在雜書中很難理解的一些表述,其實是很簡單的一件事。這個“切換”過程就意味著你付出更多的時間成本,也就是為什么我建議讀“名著”的原因——讀名著時間成本最低,效率最高,受益最大。

因為英語的科技書目(包括流體力學方面的書目)更豐富,所以建議大家多找一些英文書來讀,看到好書時也別忘了到網站上向大家推薦一下。現代科學起源于西方,很多術語和表述的根源都是英語,因此看原文有的時候比看中文翻譯更容易理解一些。這方面一個著名的例子就是對“控制論”和“控制理論”的翻譯,前者對應于英文cybernetics,后者對應于controltheory,但是從中文上看是差不多的。流體力學中也有很多這樣的例子,比如turbulence,有翻譯成“湍流”的,有翻譯成“紊流”的,也有沿用日語說法稱其為“亂流”的。再比如看微積分的英文書,講到“A點的鄰域”時,就只是說in theneighborhood of point A,感覺上似乎更貼近自然語言一些。再比如“分子動力學”這個詞已經沿用了很多年,突然在最近翻譯的朗道的《物理動理學》上發現,原來kinetics重新被命名為“動理學”,以示與dynamics的區別。暈啊,這個詞又不是現在才用的,過去幾十年中可愛的科技翻譯家們都在睡覺嗎?本來以為翻譯是一件小事,最近更驚奇地在網上發現某個部門(忘了是哪里,大概是中國力學學會或者是某科技翻譯機構)在訂正一個力學名詞的詞條目錄,目的是統一力學中對英語單詞的一些譯法。這個工作顯然是非常重要的,因為它要解決的是科技交流中基本語匯的使用問題。但是這件事同時卻證明在一些細微的表述方面,中文表達還有不盡如人意之處。不知是否可以將這個現象稱作“巴別塔效應”,不過直接讀原文就可以繞過這個障礙。最后用孔子的話作為結束吧,學而不思則罔,思而不學則殆,思考和閱讀應該交替進行,這樣才能最有收獲。哪位網友淘到好書的時候也千萬千萬別忘了到流體中文網來分享,我們的口號是“交流.感悟.新知”,多與別人交流,就能多一分感悟,形成更多的新鮮知識。相信我,沒錯的:)

 

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