流体力学在社会的发展和应用

流体力学在社会的发展和应用

摘要

流体力学作为力学的一门分支，在社会中有着非常重要的作用和极其广阔的应用前景。早至旧石器时代，人们就已经开始了对流体力学的简单应用。经过几千年的发展，经过无数科学家的研究，流体力学已渐渐成为一个完整、成熟的知识体系。它在土木工程、航空航天、化工工业、环境保护、石油能源等方面得以应用并发挥了显著的作用。但在21世纪的今天，面对能源紧缺、环境污染等问题，如何发展这门学科，使其发挥应有的作用已是我们不得不面对的问题。

一、关于流体力学的研究背景

流体力学是自然界中除固体以外存在的一种物质形式，它包括气体和液体，以流体作为研究对象，以高等数学连续函数作为数学工具，采取实验分析与理论研究想结合的方法，来研究流体处于平衡或运动状态时的力学规律及与边界间的相互作用规律的一门科学。流体力学有着极其广泛的应用，是整个工程学和应用科学研究的核心和基础之一。流体力学对于土木工程、航空航天、气象学、水利学、海洋学都占据着举足轻重的位置，对于当代的科学家和工程师更是必不可少需要熟悉掌握的一部分。航空工业中飞机的制造需要空气动力学；造船工业部门也要用到水动力学；水电站、火电站、核电站、地热电站，工作介质都是液体。机械工业中的润滑、冷却、液压传动器都要用到流体力学的知识。冶金工业中炉内气体的流动、冷却等，水利工程中的水资源运用、灌溉排水，化工流程、石油输送、环境保护、交通运输等也都应用到了流动力学。因此，流体力学及其应用有着非常广阔的前景，研究流体力学的应用对科学技术的进步和社会生活的发展也都起到了极其重要的推动作用。

二、流体力学在社会的发展

流体力学作为力学重要的一个分支学科，早在几千年前人们在农耕劳作、社会生活当中就已经了解熟悉了其中的一些基本规律和原则。再到今天发展成一个成熟、完整的知识体系，它经过了无数科学家的科学实验、推敲验证，是先辈们努力智慧的结晶。

2.1古时期的流体力学

在旧石器时代，古人就已经学会了运用一些木棒、石器打制一些简单的器具用来捕捉动物、采摘果实等，在这个过程中，已经体现了尖劈原理的力学应用。新石器时代，人们对浮力和反作用力的认识和应用已经非常熟悉了，在中国、荷兰、埃及等国发现的公元前5000年钱的独木舟、宽翼等就是很好的例证。

而在我国古代春秋战国和秦朝，对于流体力学在实际操作中的应用更是驾轻就熟。先有的灵渠、郑国渠再到后来的隋朝的京杭大运河都是古代劳动人民的智慧结晶。

2.2 流体力学理论研究的先河

而最早真正把流体力学作为一门理论学科来研究并作出巨大贡献的则是古希腊伟大的科学家阿基米德。在公元前3世纪，阿基米德发现了浮力定律并撰写了《论浮体》。在实际生活中，阿基米德通过大量计算和分析制造了螺旋扬水机。这种螺旋扬水机，对当时农业的发展起了很大作用；船舷里积水，也可以用它抽干，所以对航运业也有帮助。至今，人们还将它称为“阿基米得螺旋”。在科学技术高度发达的今天，利用阿基米得螺旋的原理，制成了各种器械用来传送小块固体、粉末、粘性液体，做成各种螺旋搅拌混合机械，在实际生活中得到了广泛的利用。而在《论浮体》这本书中，阿基米德则得出了流体力学最重要最基础的一条定律：“浸在液体（或气体）里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力。”并用数学公式表示：F浮=G排=ρ液·g·V排液。这一定律成功奠定了流体力学的基础，开创了流体力学理论研究的先河。

2.3流体力学的初步形成与发展

在这一时期，流体除了解决实际生活中的应用问题，在理论研究方面更是发展迅速。1678年，牛顿研究在流体中运动物体所受的阻力，并建立牛顿粘性定律。

法国的传教士马略特在流体力学的研究方面作出了巨大的贡献。他在1686年发表了《论水和其他流体的运动》。在这本书中，他讨论了液体与浮体的平衡，并解释了实验与理论研究中的一些差异，给出了圆管流体压强的分布规律以及计算管壁压强的公式。马略特在对流体力学理论和技术上的研究，大大推动了其发展。

1738年，丹尼尔·伯努利出版《流体动力学》，在这本书中他将力学中的活力守恒定理引入了流体力学。他得出了最重要的结论伯努利定理即：p+ρgz+(1/2)*ρv^2=C，其中p、ρ、v 分别为流体的压强、密度和速度；z 为铅垂高度；g为重力加速度。

1755年，欧拉提出流体平衡方程和运动方程。展开了对无黏性无旋流体的平面、空间运动的研究。

19世纪开始，科学家们展开了对黏性流体力学的研究。由于早期的科学家在研究流体力学的时候，并没有以没有摩阻的流体为前提。为了解决这些问题，后来一些科学实验就建立起来了。法国科学家玻尔达在1763年进行了流体阻力实验。通过他的空气阻力实验，他得出结论空气的阻力不能通过各部分的阻和得到。之后他对水做了实验，验证了阻力是与速度的平方成正比。并引进了体形系数的概念，得出随水深的增加阻力而减小的规律，并首先开创了研究粘体力学。

在1775年，玻素等人组织了一个委员会，去做了一项“为了航海事业的研究”。他们对20种不同的船型进行了研究。通过这项实验，肯定了阻力与速度的平方成正比的结论。1852年，雷什通过对波浪运动的观察和船舶模型的实验，提出了雷什数。

19世纪末，人们开始了对湍流的研究，并研发了相应的实验设备。1891年，彻斯特提出速度环量产生升力，为建立升力理论创造条件。

1932年，德莱顿引进了湍流强度的概念，运用自己设计的热线流速计，成功测量到湍流涨落速度。

1946年，卡门提出了跨声速相似律。

在出现计算器以后，流体力学的发展更是迅速。到20世纪中叶以后，流体力学更主要转而对石油、化工、能源、环保等方面作出了研究，并与邻近的学科相互渗透，形成新的学科。

2.4 二十世纪的流体力学

在这一时期，科学家们已经不仅仅停留在理论和实验设备的研究上了，很多工作都围绕航天事业发展而展开。1904年，普朗特通过大量观察和分析测量后，发表了《非常小摩擦些的流体流动》，提出了失速的概念，创造了边界层理论。

1910年以后，机翼理论有了很大的发展。普朗特还提出了第一个可供应用的三维机翼理论。

在阿基米德建立阿基米德定理之后，15世纪至17世纪，牛顿、达芬奇、伽利略等人用实验方法研究了水静压力、大气压力、孔口出流、压力传递和水的切应力等问题。18世纪以后，流体力学的研究大致分为两大类：一类是数学分析的方法进行比较严格的推导，建立流体运动的基本方程。在这方面，伯努利、欧拉、雷诺等人作出了巨大贡献。另一类的研究是为了解决实际生产问题。从大量的实验和实际观察中总结出一些经验关系公式，并根据简化后的一维方程进行数学分析，建立各运动要素的定量关系。在这方面，毕托、曼宁等人作出了贡献。而将上述两类研究达到统一的是由德国人普朗特创立的边界层理论。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算实际物体运动时的摩阻力。

三、流体力学在社会的应用

3.1 流体力学在土木工程中的应用