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(dòng)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(chǎng)、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(zhuān)業(yè)學(xué)位學(xué)生的一門(mén)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(shí)到每個(gè)班級(jí)的規(guī)模都在逐年增大。班級(jí)規(guī)模增大的直接影響是減少了我布置整個(gè)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(duì)所有學(xué)生作業(yè)進(jìn)行評(píng)分的負(fù)擔(dān)。學(xué)生們確實(shí)從課堂和教科書(shū)上的各種例子中受益匪淺。在此期間，我也意識(shí)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(diǎn)并不能保證學(xué)生可以成功解決實(shí)際問(wèn)題，除非這些問(wèn)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(shí)，學(xué)生們總是問(wèn)我是否會(huì)為他們提供所有需要的流體力學(xué)方程。我經(jīng)常用愛(ài)因斯坦的智慧之言提醒他們：“教育不是學(xué)習(xí)事實(shí)，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(gè)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(shuō)道：“嘿，爸爸！當(dāng)我把水管口蓋上一半時(shí)，水會(huì)噴得更快，流得更遠(yuǎn)。”父親回道：“很明顯，對(duì)于相同的流量，如果面積減半，水射流速度會(huì)加倍�！边^(guò)了一會(huì)兒，男孩又說(shuō)道：“爸爸，但是現(xiàn)在裝滿(mǎn)水桶需要更長(zhǎng)的時(shí)間�！卑职掷^續(xù)回道：“嗯……這是我需要考慮的事情�！�

　　根據(jù)你對(duì)流體流動(dòng)的理解，你會(huì)如何幫助這位父親擺脫困境？

　　我有點(diǎn)失望，班上沒(méi)有學(xué)生能夠正確解決這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的不可壓縮流動(dòng)問(wèn)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(guò)在中佛羅里達(dá)大學(xué)對(duì)300多名學(xué)生進(jìn)行教學(xué)、測(cè)試和評(píng)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(shí)踐來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題。對(duì)于后者，他們需要一本很好的關(guān)于實(shí)際問(wèn)題及其解法的圖書(shū)來(lái)與他們指定的教科書(shū)結(jié)合使用。

　　基于我超過(guò)45年的、主要專(zhuān)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(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的行業(yè)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我看到了一個(gè)令人失望的趨勢(shì)，即“計(jì)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(shì)的關(guān)鍵因素是過(guò)度依賴(lài)各種設(shè)計(jì)工具和商業(yè)軟件，包括它們的集成和自動(dòng)化，以滿(mǎn)足不斷縮短的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期需要。當(dāng)然，一本關(guān)于實(shí)際問(wèn)題的詳細(xì)解法的好書(shū)，將大大提高這些研發(fā)工程師在分析和設(shè)計(jì)中保持和強(qiáng)化他們?cè)谧詣?dòng)化設(shè)計(jì)工具的黑盒應(yīng)用之外的解決工程問(wèn)題的能力和技能。有一次，我問(wèn)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(gè)商用設(shè)計(jì)工具來(lái)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(dòng)問(wèn)題，以輔助渦輪葉片的內(nèi)部冷卻設(shè)計(jì)，如何驗(yàn)證設(shè)計(jì)工具的結(jié)果？這位同事的答案是，該設(shè)計(jì)工具正確計(jì)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(xiàn)性耦合影響，一次使用一種效應(yīng)對(duì)工具的驗(yàn)證是不夠的，我們需要對(duì)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(dòng)進(jìn)行數(shù)值求解（例如，使用MSExcel進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算）。這讓我的同事不知所措，不知道如何根據(jù)我的提議對(duì)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行基本驗(yàn)證。而該工具基本上是為低馬赫數(shù)流動(dòng)（不可壓縮空氣流動(dòng)）定制的，在設(shè)計(jì)中卻被錯(cuò)誤地用于計(jì)算渦輪葉片內(nèi)部帶有阻塞和正激波的冷卻流動(dòng)之中。

　　本書(shū)反映了我多年的行業(yè)研發(fā)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，其中包括許多創(chuàng)新問(wèn)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(shū)的每一章都簡(jiǎn)要回顧了支持該章所包含問(wèn)題及其解法的一些關(guān)鍵概念，但本書(shū)并不能取代流體力學(xué)教科書(shū)。作為許多具有詳細(xì)解法的實(shí)踐問(wèn)題的理想來(lái)源，高年級(jí)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(gè)分支的研究人員，會(huì)發(fā)現(xiàn)本書(shū)是保持和強(qiáng)化其涉及流體力學(xué)方面問(wèn)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(lèi)書(shū)籍之一，本書(shū)有望長(zhǎng)期為感興趣的讀者服務(wù)。