流體力學(xué)是航空航天推進(jìn)和發(fā)電的核心，其應(yīng)用包括火箭發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、陸地和海洋發(fā)電廠、壓氣機(jī)、風(fēng)扇、泵等。在世界上大多數(shù)大學(xué)的機(jī)械和航空航天工程的典型課程中，流體力學(xué)通常是那些正在攻讀熱流體力學(xué)專業(yè)學(xué)位學(xué)生的一門核心必修課程。

　　在中佛羅里達(dá)大學(xué)教授“流體力學(xué)及其葉輪機(jī)械應(yīng)用”本研課程的十年間，我意識到每個班級的規(guī)模都在逐年增大。班級規(guī)模增大的直接影響是減少了我布置整個學(xué)期課后作業(yè)的數(shù)量。這樣做的主要目的是減輕我對所有學(xué)生作業(yè)進(jìn)行評分的負(fù)擔(dān)。學(xué)生們確實從課堂和教科書上的各種例子中受益匪淺。在此期間，我也意識到，雖然理解流體力學(xué)的基本概念和各種守恒定律是必要的，但僅憑這一點并不能保證學(xué)生可以成功解決實際問題，除非這些問題需要直接應(yīng)用流體力學(xué)中著名的基本方程。每當(dāng)我在課堂上進(jìn)行閉卷考試時，學(xué)生們總是問我是否會為他們提供所有需要的流體力學(xué)方程。我經(jīng)常用愛因斯坦的智慧之言提醒他們：“教育不是學(xué)習(xí)事實，而是訓(xùn)練思維�！蔽易铍y忘的一次經(jīng)歷是我在“流體力學(xué)及其葉輪機(jī)械應(yīng)用”課程的第一周布置了以下家庭作業(yè)：

　　一個小男孩在幫他爸爸做院子里的活，一邊玩花園里的水管，一邊說道：“嘿，爸爸！當(dāng)我把水管口蓋上一半時，水會噴得更快，流得更遠(yuǎn)�！备赣H回道：“很明顯，對于相同的流量，如果面積減半，水射流速度會加倍�！边^了一會兒，男孩又說道：“爸爸，但是現(xiàn)在裝滿水桶需要更長的時間。”爸爸繼續(xù)回道：“嗯……這是我需要考慮的事情。”

　　根據(jù)你對流體流動的理解，你會如何幫助這位父親擺脫困境？

　　我有點失望，班上沒有學(xué)生能夠正確解決這個相對簡單的不可壓縮流動問題，它并不需要使用復(fù)雜的方程——當(dāng)然不是可怕的納維一斯托克斯方程。通過在中佛羅里達(dá)大學(xué)對300多名學(xué)生進(jìn)行教學(xué)、測試和評分，我了解到他們中的大多數(shù)人，除了了解流體力學(xué)的各種概念和控制守恒定律之外，還需要大量實踐來解決工程實際問題。對于后者，他們需要一本很好的關(guān)于實際問題及其解法的圖書來與他們指定的教科書結(jié)合使用。

　　基于我超過45年的、主要專注于液體火箭推進(jìn)的熱流體工程以及用于飛機(jī)推進(jìn)和發(fā)電的世界級燃?xì)廨啓C(jī)的行業(yè)研發(fā)經(jīng)驗，我看到了一個令人失望的趨勢，即“計算背后的藝術(shù)”在新一代有才華的熱流體工程師中逐漸消失。導(dǎo)致這一趨勢的關(guān)鍵因素是過度依賴各種設(shè)計工具和商業(yè)軟件，包括它們的集成和自動化，以滿足不斷縮短的新產(chǎn)品設(shè)計周期需要。當(dāng)然，一本關(guān)于實際問題的詳細(xì)解法的好書，將大大提高這些研發(fā)工程師在分析和設(shè)計中保持和強(qiáng)化他們在自動化設(shè)計工具的黑盒應(yīng)用之外的解決工程問題的能力和技能。有一次，我問我在一家燃?xì)廨啓C(jī)公司工作的同事：假設(shè)他利用一個商用設(shè)計工具來求解帶有摩擦、傳熱和旋轉(zhuǎn)的可變面積管道中的一維可壓縮流動問題，以輔助渦輪葉片的內(nèi)部冷卻設(shè)計，如何驗證設(shè)計工具的結(jié)果？這位同事的答案是，該設(shè)計工具正確計算了等熵收縮一擴(kuò)張噴管流、范諾流和瑞利流的極限情況。我的答案是，由于各種效應(yīng)之間的非線性耦合影響，一次使用一種效應(yīng)對工具的驗證是不夠的，我們需要對考慮管道面積變化、摩擦、傳熱和旋轉(zhuǎn)的綜合影響的管道流動進(jìn)行數(shù)值求解（例如，使用MSExcel進(jìn)行手動計算）。這讓我的同事不知所措，不知道如何根據(jù)我的提議對設(shè)計工具進(jìn)行基本驗證。而該工具基本上是為低馬赫數(shù)流動（不可壓縮空氣流動）定制的，在設(shè)計中卻被錯誤地用于計算渦輪葉片內(nèi)部帶有阻塞和正激波的冷卻流動之中。

　　本書反映了我多年的行業(yè)研發(fā)和教學(xué)經(jīng)驗，其中包括許多創(chuàng)新問題及其使用物理優(yōu)先方法的系統(tǒng)化詳細(xì)解法。盡管本書的每一章都簡要回顧了支持該章所包含問題及其解法的一些關(guān)鍵概念，但本書并不能取代流體力學(xué)教科書。作為許多具有詳細(xì)解法的實踐問題的理想來源，高年級本科生和研究生、教學(xué)人員、研發(fā)工程師和從事流體力學(xué)各個分支的研究人員，會發(fā)現(xiàn)本書是保持和強(qiáng)化其涉及流體力學(xué)方面問題求解技能的不可或缺的“伴侶”。作為具有廣泛吸引力的同類書籍之一，本書有望長期為感興趣的讀者服務(wù)。