流体力学的发展现状

流体力学的发展和现状

作为物理的一部分，流体力学在很早以前就得到发展。在19世纪，流体力学沿着两个方面发展，一方面，将流体视为无粘性的，有一大批有名的力学数学家从事理论研究，对数学物理方法和复变函数的发展，起了相当重要的作用; 另一方面，由于灌溉、给排水、造船，及各种工业中管道流体输运的需要，使得工程流体力学，特别是水力学得到高度发展。将二者统一起来的关键是本世纪初边界层理论的提出，其中心思想是在大部分区域，因流体粘性起的作用很小，流体确实可以看成是无粘的。这样，很多理想流体力学理论就有了应用的地方。但在邻近物体表面附近的一薄层中，粘性起着重要的作用而不能忽略。边界层理论则提供了一个将这两个区域结合起来的理论框架。边界层这样一个现在看来是显而易见的现象，是德国的普朗特在水槽中直接观察到的。这虽也是很多人可以观察到的，却未引起重视，普朗特的重大贡献就在于他提出了处理这种把两个物理机制不同的区域结合起来的理论方法。这一理论提出后，在经过约10年的时间，奠定了近代流体力学的基础。

流体力学又是很多工业的基础。最突出的例子是航空航天工业。可以毫不夸大地说，没有流体力学的发展，就没有今天的航空航天技术。当然，航空航天工业的需要，也是流体力学，特别是空气动力学发展的最重要的推动力。就以亚音速的民航机为例，如果坐在一架波音747飞机上，想一下这种有400多人坐在其中，总重量超过300吨，总的长宽有大半个足球场大的飞机，竟是由比鸿毛还轻的空气支托着，这是任何人都不能不惊叹流体力学的成就。更不用说今后会将出现更大、飞行速度更快的飞机。

同样，也不可能想象，没有流体力学的发展，能设计制造排水量超过50万吨的船舶，能建造长江三峡水利工程这种超大规模工程，能设计90万kW汽轮机组，能建造每台价值超过10亿美元的海上采油平台，能进行气候的中长期预报，等等。甚至天文上观测到的一些宇宙现象，如星系螺旋结构形成的机理，也通过流体力学中形成的理论得到了解释。近年来从流体力学的角度对鱼类游动原理的研究，发现了采用只是摆动尾部（指身体大部不动）来产生推进力的鱼类，最好的尾型应该是细长的月牙型。这正是经过几亿年进化而形成的鲨鱼和鲸鱼的尾型，而这些鱼类的游动能力在鱼类中是最好的。这就为生物学进化方面提供了说明，引起了生物学家的很大兴趣。

所以很明显，流体力学研究，既对整个科学的发展起了重要的作用，又对很多与国计民生有关的工业和工程，起着不可缺少的作用。它既有基础学科的性质，又有很强的应用性，是工程科学或技术科学的重要组成部分。今后流体力学的发展仍应二者并重。

本世纪的流体力学取得多方面的重大进展，特别是在本世纪下半叶，由于实验测试技术、数值计算手段和分析方法上的进步，在多种非线性流动以及力学和其他物理、化学效应相耦合的流动等方面呈现了丰富多采的发展态势。

在实验方面，已经建立了适合于研究不同马赫数、雷诺数范围典型流动的风洞、激波管、弹道靶以及水槽、水洞、转盘等实验设备，发展了热线技术、激光技术、超声技术和速度、温度、浓度及涡度的测量技术，流动显示和数字化技术的迅猛发展使得大量数据采集、处理和分析成为可能，为提供新现象和验证新理论创造了条件。

流体力学是在人类同自然界作斗争，在长期的生产实践中，逐步发展起来的。早在几千年前，劳动人民为了生存，修水利，除水害，在治河防洪，农田灌溉，河道航运，水能利用等方面总结了丰富的经验。我国秦代李冰父子根据“深淘滩，低作堰”的工程经验，修建设计的四川都江堰工程具有相当高的科学水平，反映出当时人们对明渠流和堰流的认识已经达

到较高水平。隋代修建的京杭大运河工程，全长达1782km，大大改善了我国南北运输的条件，至今为人称颂。早在秦汉时代我国劳动人民就不断改进水磨、水车和水力鼓风设备，汉代张衡还创造了水力带动的浑天仪，说明水力机械当时已经有了很大进展。再如我国古代计时所用的铜壶滴漏就是利用孔口出流，水位随时间变化的规律制造的，反映出当时人们已经对孔口出流的原理有了相当的认识。早在几千年前，中国古代就发明了水压唧筒等水力机械，与我国情况类似，古罗马人修建了大规模的供水管道系统，埃及、巴比伦、印度、希腊等国修建了大量的渠道来发展农业和航运事业。以上这些成就大多是对客观世界直观的定性认识，尚未上升为理论。

计算流体力学已发展成熟。出现了有限差分、有限元、有限分析、谱方法和辛算法，建立了计算流体力学的完整理论体系。计算流体力学在高速气体动力学和湍流的直接数值模拟中发挥了重大作用。前者主要用于航天飞机的设计，后者要求分辨率高，计算工作量大，如果没有先进的计算机是不可能完成的。目前，超级计算机、工作站的性能有了飞跃，最高速度可达每秒数百亿次，存储达数十吉，并行度也在提高，因此，人们已经可以用欧拉方程，雷诺平均方程求解整个飞机的流场，以及雷诺数达到105 的典型流动的湍流问题。计算流体力学几乎渗透到流体力学的每个分支领域。

非线性流动问题取得重大进展。自20世纪60年代起，对色散波理论进行了系统的研究，发现了孤立子现象，发展了求解非线性发展方程完整的理论和数值方法，并被广泛应用于其他学科领域。

现代流体力学也出现了以下一些新兴的学科分支：

1.生物流体力学：主要研究人体的生理流动，包括心血管、呼吸、泌尿、淋巴系统的

流动。

2.地球和星系流体力学：它是主要研究大气、海洋、地幔运动一般规律的学科分支，

包括全球尺度、天气尺度、中尺度的运动。其特点是要考虑旋转和层结效应，深化了人类对自然现象的认识。

3.物理化流体力学：它是20世纪50年代由列维奇倡导的，研究同扩散、渗析、返棍、

电泳、聚并、燃烧、流态化和毛细流等物理化学现象有关的流体力学分支。

流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学与人类日常生活和生产事业密切相关。它是一门应用较广的科学，航空航天、水运工程、流体机械、给水排水、水利工程、化学工程、气象预报以及环境保护等学科均以流体力学为其重要的理论基础。所以说流体力学的发展将会给我们的科技带来更大的提升。

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