现代可压缩流：以历史的视角：双语教学译注版（第3版）

定　　价：185 元

丛书名：AIAA航空航天技术丛书——双语教学精选

• 作者：（美）小约翰·D.安德森
• 出版时间：2017/4/1
• ISBN：9787516511947
• 出 版 社：中航出版传媒

• 中图法分类：V211.1 
• 页码：760
• 纸张：胶版纸
• 版次：2
• 开本：16K

内容简介

本书涵盖了经典可压缩流理论、经典可压缩流中的复杂问题和现代可压缩流的相关内容。全书共分为三个部分，第一部分（第1章~第5章）介绍了经典可压缩理论，包括无粘可压缩流积分形式控制方程、激波和膨胀波、喷管流等；第二部分（第6章~第10章）介绍了无粘可压缩流微分形式控制方程、非定常波运动、速度势方程和线化流动，以及锥形流等；第三部分（第11章~第17章）介绍了超音速流动数值求解技术、时间推进技术、典型的三维超声速流、跨声速和高超声速流，以及高温气体特性和基本示例等。本书可以作为航空航天工程、机械工程和工程力学专业的高年级本科生和第一年研究生教材，也可作为相关专业人员的参考用书。

序 言

　　第3版序言
　　如同前两版一样，第3版的目的是：为读者提供一个课堂学习或者自学可压缩流的易懂且有趣的学习工具。像在第1版中提到的一样，本书编写过程中，故意使用了一些口语化的表述，目的是为了能够和读者交谈，并获得其注意力，使其注意力自始至终在教材中。前两版的编写思想，如以历史的视角，同样延续到第3版。学生、教师和实践专业人员对前两版表现出极大的赞同。因此，第3版整体上包含了第2版的所有内容，仅更新了少数内容。第3版相较于第2版，更新的内容如下：
　　1．在每章的开头增加了预览框，可使读者对本章即将学习内容的性质和重要性有个宏观的认识。设计预览框是为了提高读者对于本章内容的兴趣。同时提供的本章路线图可以帮助读者以更大的视角来看本章内容，从而在琐碎的数学推导和物理细节中发现本章的思路。
　　2．更多重点放在可压缩流的物理机理上，以增强内容的基础性。
　　3．为加快对可压缩流物理的理解，增加了相当数量的物理机理的说明性例子。
　　4．鉴于计算流体力学（CFD）持续在可压缩流研究的各个方面承担重要的角色，第3版加强了CFD的内容。本书不是一本关于CFD的教材，但是为了加强对可压缩流基础的理解，本书在必要的程度上单独讨论了CFD内容。
　　5．在原有课后练习的基础上，增加了新的习题。McGraw-Hill提供了一个关于课后习题的答案手册。
　　6．与新加入的内容一起，增加了一些新的插图和照片。本书可作为高年级本科生和第一年研究生的可压缩流学习教材。所有章节大体上可以分为三部分，指导教师可以根据需要组成一个课程：
　　1．第1~第5章组成了经典可压缩流的核心，包含有激波、膨胀波和喷管流等。这些章节的推导主要是代数形式的。
　　2．第6~第10章针对经典可压缩流中稍微复杂的问题，数学推导主要是偏微分方程。
　　3．第11~第17章涉及可压缩流中更现代的内容，比如，使用计算流体力学方法学习可压缩流更复杂的现象，以及高温气体的一般特征。总的来说，本书为21世纪的学生提供一本平衡了经典和现代可压缩流知识的教材。
　　特别感谢为第3版的出版付出辛苦努力的人们：
　　1．我的学生，以及世界各地的学生和读者，对前两版教材提供了热情的反馈，为我带来作为一个工程教育工作者的终极乐趣。
　　2．我的家庭，为提供了作为丈夫、父亲和祖父的终极乐趣。
　　3．我在马里兰大学、国家航空航天博物馆、世界各地的其他学术和研究机构，以及工业部门的同事，帮助拓展了我的视野。
　　4．SusanCunningham，作为我的打字员，在补充手稿准备方面做了卓越的工作。
　　最后，可压缩流是个令人兴奋的学科——令人兴奋地学习，令人兴奋地教学，令人兴奋地著述。本书的目的也是为了使读者感到兴奋，并使可压缩流的学习是一种享受。因此，本书的作者如此说：读下去，并乐在其中吧！
　　第1版序言：
　　本书旨在为读者提供一个课堂学习或者自学可压缩流的工具。在编写过程中，作者故意使用了一些口语化的表述，目的是为了能够和读者交谈，并获得其注意力，使其注意力自始至终在教材中。本书可以作为航空航天工程、机械工程和工程力学专业的高年级本科生及第一年研究生的教材，也可以为希望从现代的视角获得可压缩流全貌的实践工程师提供参考。另外，由于可压缩流的基本原理和结果实际上需要涉及所有的物理科学，本书对所有的工程师都有所帮助，包括物理学家和化学家。这是一本关于现代可压缩流的书。关于“现代”这个词的广泛的定义，在1.6节给出。大体上说，本书包含了在过去的两个世纪内发展的经典可压缩流的基础知识，同时还有在过去的几十年里发展的两个重要的新方向，即：
　　1．现代计算流体力学：高速计算机的发展为流体机理分析带来革命性变化，并使此前认为棘手的问题解决成为可能。今天可压缩流的学习必须将这些数值方法作为可压缩流不可或缺的部分；这也是本书的一个方面。例如，读者会发现关于有限差分技术的冗长的讨论，包括在一些重要应用中创造过奇迹的时间推进技术。
　　2．高温流。现代可压缩流经常包含高速空气动力学、燃烧和能量转换，所有这些在高温气体流动中占有支配性位置。因此，这些高温效应必须包含在可压缩流的基础学习中，这是本书的另一个方面。例如，读者会发现关于平衡和非平衡流的广泛介绍，以及在一些基本问题中的应用，如激波和喷管流。简言之，今天的现代可压缩流是经典分析和计算技术、高温气体效应的混合体。本书的目的之一就是提供对于可压缩流的现代视角的理解，以将经典可压缩流中的重要内容和现代计算流体技术和高温气体动力学关联起来。从这个意义上讲，本书的处理有些特别：这代表将和经典可压缩流有实质性的偏离。但是同时，本书详细地讨论了可压缩流的经典基础及其重要的物理含义。实际上，只要你浏览一下本书的目录就会发现，前半部分是非常经典的内容。从第1章至第7章，加上其他章节的部分内容，就可以组成一个高年级本科生一个学期的课程。本书的第二部分就有了“现代”特点。整本书组成完整的高年级本科生和第一年研究生一个学年的教学内容。
　　本书的另一个特色是其包含的可压缩流的历史视角。作者确信，对于现代技术相关的历史背景和传统的了解，是工程教育不可分割的一部分。绝大多数的工程专业人员和学生缺少这种历史的知识和了解，本书尝试添补这种空白。例如，本书阐述了超声速喷管是何人、在何种情形下发展的，可压缩流的现代方程在过去的几个世纪里如何发展的，伯努利、欧拉、亥姆霍兹、兰金、普朗特、布塞曼、葛劳渥等都是什么人，以及他们对可压缩流的现代科学做出了何种贡献？按照这个思路，本书延续了作者此前完成一本书的写作传统（《飞行导论：工程和历史》1978，McGraw-Hill公司，纽约），即同时包含了历史摘记和工程内容。每章的最后给出了课后习题。这些习题通常比较简单，主要是让学生对学习的内容有实际理解。
　　为了保持合理而可接受的篇幅，本书没有涉及跨声速和黏性流部分。但是最好在掌握了本书的基础内容后，学习一下上述内容。本书是1973年开始在马里兰大学教授研究生一年级可压缩流课程的产物。这些年来，许多学生敦促作者将课堂笔记整理成书。本人无法无视这种鼓励，因此就产生了这本书。因此，本书某种程度上是献给我所有的学生的，由于他们，我获得了教学和工作的快乐。
　　本书也要献给我的妻子Sarah-Allen，及我的两个女儿Katherine和Elizabeth，因为我错过了大量的作为丈夫和父亲的时间。他们的理解非常重要，这里我要再次说感谢。另外，还有一直做幕后工作的EdnaBrothers和SueOsborn，他们以极大的奉献精神输完手稿。还有，作者希望感谢史密斯国家航空航天博物馆馆长RichardHallion博士，其有益的意见和持续开放的博物馆为我的历史研究提供了广泛的档案。
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作者介绍

　　小约翰·D·安德森，1937年10月1日出生于宾夕法尼亚州的蓝卡特市。1959年以优异的成绩毕业于佛罗里达州大学，获得航空工程学士学位。
　　1959~1962年，他作为随军任务科学家在莱特·帕特森空军基地航空航天实验室工作。1962~1966年，他进入俄亥俄州立大学学学，并在美国国家自然科学基金会和NASA奖学金的资助下，攻读航空航天工程学博士学位。1966年，他加入美国海军军械实验室，任高超声速研究组的首席科学家。1973年他成为马里兰大学航空航天工程系系主任，并自1980年起在那里任教授，1982年获得该校“杰出学者/教授”称号。在马里兰大学，他还于1993年被聘为自然科学哲学和科学委员会全职教员，并在1996年被聘为历史系教员。1996年，他被授予“格伦·L·马丁航空航天工程教育杰出教授”称号。1999年，他从马里兰大学退休，并获“荣誉退休教授”称号。他目前是史密斯学会美国国家航空航天博物馆空气动力学馆的馆长。
　　安德森博士出版了8本专著（Mcgraw-hillEducation（MHE）出版了其中6本。我国航空工业出版社已从MHE引进或计划引进5本，包括《空气动力学基础》（2014年2月出版）、《现代可压缩流：以历史的视角》（2017年6月出版）、《飞行导论》（2017年11月出版）、《计算流体力学》（2017年11月出版）、《飞行器性能与设计》（计划）），发表了120多篇论文。安德森博士被收入《美国名人录》。他是美国航空航天学会（AIAA）荣誉会员、伦敦英国皇家航空学会会员。1988年，他被选为AIAA教育委员会副主席。1989年，他获得美国工程教育学会和AIAA联合颁发的JohnLelandAtwood奖，以表彰他“对航空航天工程教育的贡献所产生的yongjiu性的影响”。1995年，他被授予AIAA航空航天文献奖，以表彰其“在航空航天工程领域编写了因易读、表述清晰且包括历史内容而在世界范围内引起广泛赞誉的本科生和研究生教材”。1996年，他被选为AIAA出版委员会副主席。2000年，他被AIAA授予航天学“冯·卡门讲师”荣誉称号。从1987年至今，安德森博士一直是Mcgraw-HillEducation航空航天工程系列丛书的资深顾问编辑。

目 录

第1章　可压缩流——历史和引述……1
1.1　历史里程碑……………………………9
1.2　可压缩流定义…………………………12
1.3　流态分类………………………………15
1.4　热力学简单回顾………………………19
1.5　物体上的气动力………………………33
1.6　现代可压缩流…………………………36
1.7　小结……………………………………38
　　 作业……………………………………38
第2章　无黏流动积分形式守恒方程…41
2.1　原理……………………………………43
2.2　方法……………………………………43
2.3　连续方程………………………………45
2.4　动量方程………………………………46
2.5　短评……………………………………49
2.6　能量方程………………………………50
2.7　最终短评………………………………53
2.8　动量方程的应用：喷气推进发动机推力……………………………………54
2.9　小结……………………………………63
　　 作业……………………………………64
第3章　一维流动………………………65
3.1　介绍……………………………………67
3.2　一维流动方程…………………………71
3.3　声速和马赫数…………………………74
3.4　流动参数的方便定义…………………77
3.5　能量方程的其他形式…………………78
3.6　正激波关系式…………………………86
3.7　许贡纽方程……………………………98
3.8　一维加热流…………………………102
3.9　一维有摩擦流………………………111
3.10　历史摘记：声波和激波…………117
3.11　小结………………………………121
　　 作业………………………………124
第4章　斜激波和膨胀波……………127
4.1　介绍…………………………………129
4.2　斜波根源……………………………131
4.3　斜激波关系式………………………133
4.4　绕尖楔和圆锥的超声速流…………145
4.5　激波极线……………………………149
4.6　激波在固壁上的规则反射…………152
4.7　关于超声速流经过多波系的讨论…157
4.8　压力—偏转角曲线…………………158
4.9　异侧激波的相交……………………159
4.10　同侧激波的相交…………………161
4.11　马赫反射…………………………163
4.12　钝头体前的脱体激波……………165
4.13　三维激波…………………………166
4.14　普朗特-迈耶膨胀波……………167
4.15　激波-膨胀波理论………………174
4.16　历史摘记：普朗特对超声速流的早期研究和普朗特-迈耶理论的起源183
4.17　小结………………………………186
　　 作业………………………………187
第5章　准一维流……………………191
5.1　介绍…………………………………195
5.2　控制方程……………………………196
5.3　面积—速度关系式…………………199
5.4　喷管…………………………………202
5.5　扩压器………………………………218
5.6　波在自由面上的反射………………226
5.7　小结…………………………………228
5.8　历史摘记：拉瓦尔传略……………228
5.9　历史摘记：斯托多拉和首次定形性的超声速喷管试验……………………230
5.10　小结………………………………232
　　 作业………………………………234
第6章　无黏流动微分形式守恒方程239
6.1　介绍…………………………………241
6.2　微分形式守恒方程…………………242
6.3　实质导数……………………………244
6.4　非守恒型微分方程…………………247
6.5　熵方程………………………………253
6.6　克罗科定理：可压缩流热力学和动力学的关系………………………254
6.7　历史摘记：守恒方程的早期发展…256
6.8　历史摘记：莱昂哈德·欧拉生平简介…………………………………258
6.9　小结…………………………………260
第7章　非定常波运动………………261
7.1　介绍…………………………………263
7.2　运动的正激波………………………266
7.3　反射激波……………………………273
7.4　波传播的物理画面…………………277
7.5　声学理论基本要点…………………279
7.6　有限（非线性）波…………………285
7.7　入射和反射膨胀波…………………291
7.8　激波管关系式………………………297
7.9　有限压缩波…………………………298
7.10　小结………………………………300
　　 作业………………………………300
第8章　一般守恒方程的再讨论：速度势方程…………………303
8.1　介绍…………………………………304
8.2　无旋流动……………………………304
8.3　速度势方程…………………………308
8.4　历史摘记：流体旋转和速度势思想的起源…………………………312
第9章　线化流动……………………315
9.1　介绍…………………………………317
9.2　线化速度势方程……………………318
9.3　线化压力系数………………………322
9.4　线化亚声速流动……………………324
9.5　改进的压缩性修正…………………333
9.6　线化超声速流………………………335
9.7　临界马赫数…………………………342
9.8　小结…………………………………348
9.9　历史摘记：1935年沃特会议——现代可压缩流的开始及其前后相关事件…349
9.10　历史摘记：普朗特小传…………354
9.11　历史摘记：葛劳渥小传…………357
9.12　小结………………………………358
　　 作业………………………………360
第10章　锥形流………………………363
10.1　介绍………………………………364
10.2　锥形流的物理形态………………366
10.3　定量公式（仿照特勒和麦科尔的方法）………………………………366
10.4　数值求解步骤……………………371
10.5　绕圆锥的超声速流的物理形态…372
　　 作业………………………………375
第11章　定常超声速流的数值技术…377
11.1　计算流体力学简介………………380
11.2　特征线法思想……………………383
11.3　特征线的确定：二维无旋流……386
11.4　相容方程的确定…………………391
11.5　单元过程…………………………392
11.6　影响域和依赖域…………………396
11.7　超声速喷管设计…………………397
11.8　轴对称无旋流动的特征线方法…403
11.9　有旋（非等熵和非绝热）流动的特征线方法………………………407
11.10　特征线的三维方法………………409
11.11　有限差分介绍……………………411
11.12　麦科马克方法……………………417
11.13　边界条件…………………………418
11.14　稳定性判据：CFL判据…………420
11.15　激波捕捉法和激波装配法：守恒和非守恒方程………………………422
11.16　在航天飞机上应用特征线法与有限差分法求解结果的比较…………423
11.17　历史摘记：特征线方法在超声速流动中的首次实际应用…………426
11.18　小结………………………………428
　　 作业………………………………429
第12章　时间推进技术：在超声速钝头体和喷管上的应用………431
12.1　定常流动时间推进求解思想简介434
12.2　稳定性判据………………………440
12.3　钝头体问题——定性特征和限制特征线……………………………441
12.4　牛顿理论…………………………443
12.5　钝头体问题的时间推进求解……445
12.6　钝头体流场结果…………………450
12.7　二维喷管流动的时间推进求解…453
12.8　时间推进技术的其他方面：人工黏性…………………………455
12.9　历史摘记：牛顿正弦平方定律——深入讨论…………………………458
12.10　小结………………………………460
　　 作业………………………………461
第13章　三维流动……………………463
13.1　介绍………………………………464
13.2　有迎角锥流：定性方面…………466
13.3　有迎角锥流：定量方面　………474
13.4　有迎角的钝头体…………………484
13.5　停滞流线和最大熵流线…………494
13.6　评论和小结………………………495
第14章　跨声速流……………………497
14.1　介绍………………………………500
14.2　跨声速流的一些物理属性………501
14.3　跨声速流的理论特性：跨声速相似性……………………………505
14.4　小扰动速度势方程求解：穆曼-科尔法……………………510
14.5　全速势方程数值求解……………516
14.6　欧拉方程数值求解………………525
14.7　历史摘记：跨声速飞行——发展、挑战、失败和成功…532
14.8　小结和评论………………………544
第15章　高超声速流…………………547
15.1　介绍………………………………549
15.2　什么是高超声速流………………550
15.3　高超声速激波关系式……………555
15.4　当地表面倾角法：牛顿理论……559
15.5　马赫数无关性……………………565
15.6　高超声速小扰动方程……………570
15.7　高超声速相似性原理……………574
15.8　计算流体力学应用于高超声速：一些评论…………………………581
15.9　小结和最终评论…………………583
第16章　高温气体性质………………585
16.1　介绍………………………………587
16.2　气体的微观描述…………………590
16.3　计算给定宏观态的微观态数……598
16.4　最大概率宏观态…………………600
16.5　极限情形：玻耳兹曼分布………602
16.6　依据配分函数计算热力学属性…604
16.7　依据T和V计算配分函数………606
16.8　单组分气体热力学性质的实际计算………………………………610
16.9　平衡常数…………………………614
16.10　化学平衡——定性讨论…………618
16.11　平衡态化学组分的实际计算……619
16.12　平衡气体混合物的热力学参数…621
16.13　非平衡系统介绍…………………628
16.14　振动速率方程……………………629
16.15　化学反应速率方程………………635
16.16　高温气体中的化学非平衡………639
16.17　化学非平衡小结…………………641
16.18　本章小结…………………………641
　　 作业………………………………643
第17章　高温流：基本示例…………645
17.1　局部热力学平衡和化学平衡介绍………………………………647
17.2　平衡正激波流……………………648
17.3　平衡准一维喷管流………………653
17.4　冻结流和平衡流：比热容………659
17.5　平衡声速…………………………664
17.6　关于使用γ=cp/cv…………………668
17.7　非平衡流：组元连续方程………669
17.8　振动非平衡速率方程……………672
17.9　非平衡流控制方程小结…………672
17.10　非平衡正激波流…………………674
17.11　非平衡准一维喷管流……………680
17.12　小结………………………………688
　　 作业………………………………689
附录A
表A.1　等熵流函数表…………………691
表A.2　正激波参数表…………………696
表A.3　一维加热流……………………700
表A.4　一维有摩擦流…………………705
表A.5　普朗特-迈耶函数和马赫角…710
附录B　计算流体力学的例证和练习…712
B.1　方程…………………………………712
B.2　中间数值结果：开始数次迭代……725
B.3　最终数值结果：定常解……………730
B.4　小结…………………………………741
B.5　等熵喷管流——亚声速/超声速
（非守恒型）…………………………741
参考文献………………………………745
索引……………………………………751