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流体力学的路线图(之三)

武际可、黄克服两位老先生的一篇文章《力学教材的简单历史》,后面附录中有对流体力学教材的推荐书目,大家可以参考一下。 前面有网友让我推荐热力学方面的教材,我就不揣浅陋推荐一下。经典的热力学教材推荐王竹溪先生写的《热力学》,另外去年在书店买到一本华中师范大学邹邦银老师写的《热力学与分子物理学》,感觉写的也不错,这里也推荐大家参考一下。邹老师这本书除了讲解经典的热力学外,对气体、液体、固体的微观机制有很多通俗的描述,无论对于学生学习,还是老师做教学参考应该都有很大帮助。我接触热力学问题比较多的时候其实是在北航读博士那段时间,此前也就是上过工程热力学那门课而已。在博士阶段由于要学习高超声速理论,所以必然接触到很多热力学问题。当时李椿萱老师开的书单上包括Vincenti(维赛特)和Kruger,Jr(小克鲁格)的《物理气体动力学引论》这本书。虽然当时本人水平超低读的半懂不懂的,但还是感觉这本书大大拓展我对热力学的认识。博士毕业后我也断断续续读过这本书,但一直是从图书馆借阅,阅读过程总是被打断,感觉总是学的不是很完整的样子。去年终于在网上淘到一本旧书,有点如获至宝的感觉,哈哈!

类似的书还有武、黄两位先生在前面那篇文章中推荐的Bird写的TransportPhenomena一书,我记得还有一本很早以前(大约40年代出版)的MolecularGas Dynamics,忘了作者名字,内容也是从分子动力学(现在叫动理学)角度研究气体动力学问题,但是给我印象最深的还是前面提到的那本《物理气体动力学引论》。这本书从刚球模型开始,逐步增加问题的复杂度,最终完整讲述了分子动力学的基本理论,涵盖了平衡理论、非平衡理论、化学反应理论等内容,确实是做高超声速化学反应流问题必看的一本理论基础书。其实流体力学除了前面两个博客中提到的经典研究方法,即以连续介质理论为基础的方法外,还有一个思路是所谓“物理流体力学”,即基于还原论思想的流体力学方法。这类方法从研究微观现象入手,寻找宏观流体力学的机理解释,把流体力学纳入物理学的范畴来研究,还是能大大拓展视野,帮助你站到更高的高度上去观察思考流体力学中的问题。钱学森先生在《物理力学讲义》中也采用了这个思路,不过涵盖的面更广。我记得还有一本书就叫《物理流体力学》,可惜也记不得作者和出版社了,只记得是国外作者写的,国内似乎有翻译,感兴趣的可以到图书馆去淘一淘。

过去在我们论坛中曾经有一些网友争论力学到底算不算是物理的一部分,我觉得这个问题似乎不是一个问题。只要稍微拓展一下眼界,把目光从流体力学这间房子中投射到窗户外面,你就会发现流体力学(甚至力学)实际上就是物理这个社区中的一栋楼房。尽管这座房子有相对独立的体系,但是本质上还是物理问题。另外我还觉得其实把学科划分的那么严格,一定要分个明确的界线出来其实是不大可能的。因为学科划分本来就是人为的,而客观规律是实在的,把人为因素加入客观过程,甚至去扰动客观过程本身就是有问题的。科学的发展过程本身也证明自然本身是鲜活的,丰富多彩的,人为划定学科在一定的历史时期是有道理的,但是科学发展后,这种划分也应该随之发生变化。比如上面提到的还原论,其基本思想就是从微观追寻宏观科学的规律。这种方法在很大程度上获得了成功,比如我们说的从分子运动论角度看待宏观流体力学问题,但是在面对复杂性问题时则显得无能为力。物理上把随尺度变化后出现新现象的这类问题称作层展现象(emergencephenomena),也就是说宏观自有宏观的问题,并不是所有宏观问题都能从基本粒子的运动中分析出其原理的。我想形象点说,层展现象应该类似于每上一层楼看到的风景都有所不同的意思吧。还有一些网友让我推荐一些可压缩流的书。这方面的书在武、黄两位先生的文章末尾已经有所推荐,我觉得其中Liepmann和Roshko的那本Elementsof Gasdynamics应该是最经典的。这本书不仅武、黄两位先生推荐,国内外众多老师提到气体动理学时也必提这本书,因此就推荐这本书吧。另外我记得童秉纲先生写过一本《气动热力学》也很好。国外的书我还看过Anderson的Hypersonicsand High Temperature Gasdynamics也不错。我在论坛里陆陆续续推荐过Anderson写的好几本书,其它还包括Anderson写的Fundamentalsof Aerodynamics和Introductionto Computational Fluid Dynamics等。Anderson写的书有一个特点就是比较通俗易懂,虽说是英文书,但并没有多少难以理解的表述。看了武际可、黄克服老师的那篇文章才知道,原来这是教材写作上通俗化的一个潮流,原来还以为只有我这种水平偏低的家伙才喜欢Anderson呢,哈哈!

流体力学方面的书除了前两个博客中提到的那几本外,在书店里现在还能看到《普朗特流体力学基础》这本书,是朱自强、钱翼稷等几位老师翻译的。书比较厚,大致翻了翻没有细看,感觉比较适合在学习完流体力学后作为继续学习的一本书来看。特别是那些即将成为流体工程师的网友应该看看这本书,里面讲了流体力学在各个工程领域内的应用,可以让你把学校学习到的流体力学基础知识与工程问题很好地衔接起来。继续深造准备做研究生的也应该看这本书,因为里面也提供了与流动稳定性、奇点划分相关的内容。还有一本书是White写的ViscousFluid Flow,这本书是MIT现在使用的流体力学教材,网上也有很好的口碑,应该也是不错(我自己还没看过)的,将来一定要翻出来好好看一看。湍流方面的书武、黄两位老师集中推荐了三本书,都是非常有名的经典著作。除此之外,国内的教科书中,清华张兆顺、崔桂香两位老师写的《湍流理论与模拟》也很好,我觉得看过这本书后就能跟搞湍流的同行们正常交流了。因此作为一个合理延续,也推荐大家看这本书。既然已经说到湍流,自然要提到旋涡和流动稳定性问题。流体力学中波和涡是两大流动现象,牛人有云“旋涡是流体运动的肌腱”,可见学会旋涡是多码的重要。旋涡方面公认写的最好的书是吴介之、马晖扬老师写的《旋涡动力学》一书,这本书后来又出过一个英文版,应该是中文版的升级版,研究旋涡的网友肯定要看这本书。流动稳定性方面我看到的书中以Drazin的HydrodynamicStability最受人推崇,应该也是最经典的。

先写这么多,再发现什么好书再向大家推荐。本人水平有限,还是希望学养深厚的老师们能现身说法,给我们介绍一下流体力学这个学科的架构,推荐更好的书上来。流体力学的发展基本上是与科学的整体发展相适应的。其爆发期就在20世纪初和20世纪中叶这两个时期——20世纪初期的时候,人类发明了飞机、电话、电灯,稍晚建立了相对论、量子力学等重大理论。在此期间,风洞开始成为主流试验设备,普朗特提出边界层理论,建立现代流体力学体系;20世纪中叶,人类发明了计算机、汽车普及、人类登月、发现牛胰岛素双螺旋结构。与此同时,湍流模式理论建立、计算流体力学出现、可压缩流理论大发展(面积律、超临界翼型、跨音速理论、高超声速理论貌似都是这个时期出现的)。另外湍流拟序结构是70年代发现的,距离60年代似乎也更近一些。普里高津的耗散结构理论,分形、混沌理论等我记得也是60、70年代提出的,只不过现在熟悉的人更多了而已。因此经典著作大部分都是那个时候出现的也就不奇怪了。

 流体力学的路线图(结束语)

前面陆陆续续写了三篇《流体力学的路线图》,主要是推荐一些我认为值得一看的书。在写这些东西时我心里默认的对象是刚刚开始学习流体力学的网友,希望给他们指点一下入门时需要了解的路线。流体力学专业的硕士、博士同学们应该以自己导师的指点为主要风向标,因为与我泛泛的指点相比,导师给您的指点必然更有针对性,也更适合你的工作需要。除此以外,流体力学本身内容非常丰富,可以归属于这面大旗下的分支学科也非常之多,比如我们马上能想到的计算流体力学、实验流体力学、空气动力学、水动力学、流体机械、多相流理论、生物流体力学等等,在这些分支学科下面还有更小的分支,而我这篇路线图仅仅限于流体力学基础知识部分,远未深入到各个分支中去,这点也请各位网友注意。

我在论坛中还曾经向大家推荐过2本计算流体力学方面的书,一本是Anderson的《计算流体力学入门》,另一本是Versteeg和Malalasekera的AnIntroduction to Computational Fluid Dynamics - The Finite Volume Method。这两本书也仅仅是CFD中的一些基础理论。之所以我认为这两本书写的不错,是因为这两本书恰好适应了我学习的需要。Anderson那本书主要讲的是有限差分法,其基本理论方面的内容跟当年朱自强老师给我们上计算流体力学课时的内容差不多,因此我觉得有一种似曾相识的熟悉感,另外其中以气体动力学为主与我做博士论文时涉及的内容非常吻合(Anderson本人就是做高超声速计算的)。有这么多共鸣点,我当然觉得这本书非常“经典”,因此隆重向大家推荐过很多次。Versteeg和Malalasekera那本书主要讲解有限体积法,而且详细阐述了SIMPLE系列算法,可以算做给FLUENT软件加的一个理论注释。后来在学习使用FLUENT软件时,自然需要学习了解这方面的内容,因此也向学习FLUENT软件的网友们推荐过这本书。对了,我还向学习高分辨率格式的网友推荐过傅德薰、马延文两位老师写的《计算流体力学》,因为那本书里面比较系统地阐述了高分辨率格式方面的理论。记得当年我在学习TVD格式时费了很多周折,大多数理论都是从一篇篇文献上零散地学来的,经过很长时间的消化才形成一个相对完整的印象,效率非常低下。推荐这本书的原因就是觉得看看这本书,学习掌握高分辨率格式的效率可以大大提高。但是实际上CFD方面的图书非常丰富,尤其是英文的CFD著作非常丰富,优秀作品也非常多,我推荐的这些仅仅是入门所需要的。深入学习还要靠各位网友自己去做分拣工作。借用Anderson的一句话,我做的那些推荐,istruely for beginners。可以做入门时的参考,但是深入研究、学习时还是要自己多看多思考,当然思考之后别忘了上流体中文网与我们分享一下你的成果 .另外还想提醒大家注意的一个问题就是什么书算“好书”的问题。我给别人的建议是多读“名著”,因为那些“名著”都不是浪得虚名,而是有很多人看过、读过,深受其益,然后再推荐给别人的书,很多“名著”都经历了时间的考验,至今为业内津津乐道,所以读这样的书最有保障,效率最高。而且“名著”往往出自大家手笔,对问题理解的深度、广度和切入角度都有所不同,叙述上也会尽量简洁明白,尽量通俗易懂。“开卷有益”这句话说的应该是看这些书对人有助益的意思。不过每个人的基础、工作需要都不同,所谓“好书”的标准也会有所变化。判断一本书是不是好书的一个简单标准,是看你自己是否看得懂、是否感到读过有收获。比如Batchelor的那本书是公认的名著,即全面又有深度,但是初学者在学习的时候看这本书未必看得懂,因此也就未必是最合适的,反而是学习多年的人反过头来看才能发现其中的妙处。但是也千万别为了图省事去看一些杂书,杂书表现形式上可能更“简单”,更能满足你期中、期末考试的需要,但它之所以“杂”,就因为那些书的作者自己都未必明白他自己写的内容,所以很容易造成误导,甚至增加新的不必要的困惑。这个度还是要自己把握,在看一些不是那么有名的书时,万一遇到看不懂的地方,最好能切换到其它书,看看别的书是怎么叙述同样内容的,很可能会发现在杂书中很难理解的一些表述,其实是很简单的一件事。这个“切换”过程就意味着你付出更多的时间成本,也就是为什么我建议读“名著”的原因——读名著时间成本最低,效率最高,受益最大。

因为英语的科技书目(包括流体力学方面的书目)更丰富,所以建议大家多找一些英文书来读,看到好书时也别忘了到网站上向大家推荐一下。现代科学起源于西方,很多术语和表述的根源都是英语,因此看原文有的时候比看中文翻译更容易理解一些。这方面一个著名的例子就是对“控制论”和“控制理论”的翻译,前者对应于英文cybernetics,后者对应于controltheory,但是从中文上看是差不多的。流体力学中也有很多这样的例子,比如turbulence,有翻译成“湍流”的,有翻译成“紊流”的,也有沿用日语说法称其为“乱流”的。再比如看微积分的英文书,讲到“A点的邻域”时,就只是说in theneighborhood of point A,感觉上似乎更贴近自然语言一些。再比如“分子动力学”这个词已经沿用了很多年,突然在最近翻译的朗道的《物理动理学》上发现,原来kinetics重新被命名为“动理学”,以示与dynamics的区别。晕啊,这个词又不是现在才用的,过去几十年中可爱的科技翻译家们都在睡觉吗?本来以为翻译是一件小事,最近更惊奇地在网上发现某个部门(忘了是哪里,大概是中国力学学会或者是某科技翻译机构)在订正一个力学名词的词条目录,目的是统一力学中对英语单词的一些译法。这个工作显然是非常重要的,因为它要解决的是科技交流中基本语汇的使用问题。但是这件事同时却证明在一些细微的表述方面,中文表达还有不尽如人意之处。不知是否可以将这个现象称作“巴别塔效应”,不过直接读原文就可以绕过这个障碍。最后用孔子的话作为结束吧,学而不思则罔,思而不学则殆,思考和阅读应该交替进行,这样才能最有收获。哪位网友淘到好书的时候也千万千万别忘了到流体中文网来分享,我们的口号是“交流.感悟.新知”,多与别人交流,就能多一分感悟,形成更多的新鲜知识。相信我,没错的:)

 

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