《旋转流体理论与数值模拟：热对流、惯性波和进动流》[（英）张可可（Keke Zhang）, 廖新浩著；李力刚译. 北京：科学出版社，2020.12]是继Chandrasekhar 的Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability （1961）以及Greenspan 的The Theory of Rotating Fluids （1968） 之后，又一本关于旋转流体理论的系统性专著。它不仅介绍了作者对旋转流体理论所做出的里程碑式的贡献，还反映了近50 年来该领域研究的最新进展。为将这些重要进展介绍给国内读者，在作者的鼓励下，译者将这部著作翻译出版，希望为从事大气、海洋、地球物理、天体物理和相关工程科学研究的学者提供有益的参考。
李力刚
中国科学院上海天文台
受旋转强烈影响的流体运动从根本上区别于非旋转流体，这赋予了旋转流体研究独特的学术魅力。为解释或预测大气、海洋、行星以及天体物理现象，地球物理学、天体物理学和应用数学领域的科学家对旋转流体投入了越来越多的关注。同时，在工程和应用领域，旋转流体问题也是一个基础性问题，研究范围可从离心机的稳定性延伸到旋转航天器（携带液体载荷） 的稳定性。在过去几十年中，快速旋转流体的理论、实验、数值和观测研究已获得了蓬勃的发展。
在行星内部的流体以及外部的海洋和大气中，旋转对大尺度流动的结构和演化起着至关重要的作用。流体动力学过程常见于旋转系统中，对这些现象的认识便成为海洋学、行星和天体物理学必不可少的重要组成部分。
过去几十年中，旋转流体研究获得了显著的发展并取得了长足的进步。旋转流体理论在大气和海洋动力学中的经典应用催生了众多的论文——这些研究大多将大气和海洋处理为薄的、近二维的球壳流体层，或者是无界流体层。不仅如此，近几十年的研究对圆柱、环柱、厚球壳以及球体等容器中的旋转流也给予了相当大的关注——这些研究通常与行星和恒星内部的流体过程有关。更重要的是，针对不同几何形状的旋转流体，在实验室中可以开展相应的实验研究，以帮助我们深入了解旋转流体现象的物理本质。
为清晰阐释旋转流体的基本动力学过程，我们付出了大量心血，对多种几何形状旋转容器中的流体运动进行了研究。容器分三类，分别为环柱（以及窄间隙环柱）、圆柱和球（以及球壳和椭球）。当流体充满容器时，流体不存在自由表面，并且这些旋转容器的形状可以被实验室实验精确或近似地实现。
虽然旋转流体研究已经取得了许多重要的进展，但长期以来一直缺乏系统性的总结，所以急需一本专著来填补这个明显的空缺。很明显，基于当前的研究深度，本书(《旋转流体理论与数值模拟：热对流、惯性波和进动流》)要达到如Chandrasekhar （1961）、Greenspan（1968） 著作的理论完整性几乎是不可能的，内容必须有所取舍，因此本书主要着墨于三个方面的问题：
单独由旋转驱动的流体惯性波和振荡；
由热不稳定性驱动，但由旋转控制的对流运动（其中重力平行于基础温度梯度）；
由非匀速旋转（进动或天平动） 驱动的对流运动，即进动流或天平动流。
我们认为这三个问题是旋转流体动力学最基本的问题，是地球物理和天体物理应用研究的核心，并且这三者在物理和数学上具有十分密切的联系。总之，本书所考虑的流体运动不是发生在旋转系统中，就是受到了旋转效应的严重影响。当然，以上选择不可避免地受到作者个人偏好的影响，同时本书很遗憾地没有就许多重要的问题，如可压缩流体、稳定分层的作用和一些复杂的非线性理论进行论述。但我们坚信，所选定的三个主题是旋转流体的核心问题，因为在快速旋转系统中，旋转对流体动力学过程起着支配性的作用。
旋转流的特殊性激发了许多富有创意的思想，它们已被成功应用于旋转流体的理论之中。旋转流的特殊性主要表现在三个方面：① 旋转对流体运动具有压倒性的控制和约束作用；② 仅由旋转驱动的振荡运动、惯性振荡和惯性波的类型是独一无二的；③ 由快速旋转导致的粘性边界层与非旋转系统具有显著的差异。这三个基本特征构成了本书所论述的旋转流体理论基础——惯性波、旋转对流和进动/天平动流。因为对于首阶近似下的无粘性波动，可以相对简单且容易地获得其数学分析解，所以，在此基础上，往往可以非常有效地使用渐近或微扰方法来发展相应的粘性流体理论。
传统上，旋转流体的研究存在着两个独立的分支：其一是研究浮力驱动的对流，Chandrasekhar （1961） 对此进行了讨论；其二是研究惯性波和进动驱动的流动，这由Greenspan （1968） 进行了论述。本书则是对以上三个看似在数学和物理上分离的主题——热对流、惯性波和进动流——提出了统一的理论。该理论基于渐近分析方法，将这些十分复杂的问题变得在数学上易于处理，并且能够反映旋转流体的基本特征。
写作本书的目的有三。
首先，除了向读者介绍一些其他著作未曾广泛关注的问题，我们还将基于过去几十年的研究进展，尝试对不同几何形状的旋转Boussinesq 流体问题构建一个系统的、统一的理论，并希望该理论能带领读者到达此类研究的最前沿；
其次，本书选取了一些特殊的几何形状（如环柱或圆柱） 对旋转流体加以讨论，这是因为它们不仅在数学表达上比较简洁，而且易于在实验中实现，使理论和实验可以互相印证，同时，对球或椭球等几何体的研究成果可直接应用于行星或其他天体中；
最后，我们希望本书能为不同领域（如地球物理、天体物理、行星物理和流体工程等） 的研究生和学者提供有益的参考。
在写作风格、深度和细节上，本书遵循以下原则：尽量保证每章自成一体，使其具有不依赖于其他章节的阅读独立性。付出的代价则是反复叙述了一些基本方程、记号和定义。书中罗列了大量足够详细的数学公式，以使研究者充分体会理论的发展，并能够重复这些数学分析并获得相同的结论。书中还给出了许多数据表格，使读者在需要时能够检验或比较其推导过程和最后结果。虽然本书的重点在旋转流体的理论分析上，但是只要有可能，我们都会将数值计算（或实验） 与理论的结果进行比较。本书的读者对象应该熟悉流体力学基本原理、常微分和偏微分方程以及向量分析。
张可可，英国埃克塞特（Exeter） 大学
廖新浩，中国科学院
本文摘编自《旋转流体理论与数值模拟：热对流、惯性波和进动流》[（英）张可可（Keke Zhang）, 廖新浩著；李力刚译. 北京：科学出版社，2020.12]一书“前言”“第1 章旋转流体的基本概念和方程”“译者序”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-066972-8
责任编辑: 周 涵 田轶静
本书总结了作者在旋转流体动力学基础理论上的最新研究成果，针对该领域的三个核心基本问题：旋转驱动的惯性波动模、非匀速旋转（进动或天平动）驱动的对流以及旋转控制下的热对流，第一次提出了系统性的、统一的旋转流体理论。在这个理论框架下，针对不同几何形状（环柱、圆柱、球、球壳、椭球等）的旋转流体，详细推导了上述三个基本问题的分析解，并给出大量图表具体显示了这些理论分析结果。此外，书中还提供了多种数值模拟方法，它们不仅验证了新理论的正确性，而且对相关研究也可资借鉴。
（本文编辑：刘四旦）
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