流体力学发展简史.docx

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1、流体力学进展简史作者：佚名文章来源：internet点击数：$211更新时间：2005-4-19然收藏此页流体力学是力学的一个分支，它主要争论流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流淌的规律。流体力学中争论得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学学 问，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础学问。1738年伯努利出版他的专着时，首先采纳了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后消失了空气动力学这个名 词；1935年以后，人们概括了这两方面的学问，建立了统一的体系，统称为流体力学。除水和空气

2、以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下 的金属和燃烧后产生成分简单的气体、高温条件下的等离子体等等。气象、水利的争论，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若 干问题等等，都广泛地用到流体力学学问。很多现代科学技术所关怀的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断 地进展。1950年后，电子计算机的进展又赐予流体力学以极大的推动。流体力学的进展简史流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步进展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传奇；秦朝李冰 父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用

3、；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体 平衡理论，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大进展。直到15世纪，意大利达芬奇的着作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞行原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明白 静止流体中压力的概念。但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度， 力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。17世纪，力学奠基人牛顿争论了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎

4、流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。但是，牛顿还没有建立起流体动 力学的理论基础，他提出的很多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。之后，法国皮托创造了测量流速的皮托管：达朗贝尔对水道中船只的阻力进行了很多试验工 作，证明白阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采纳了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运 动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动：伯努利从经典力学的能量守恒动身，争论供 水管道中水的流淌，细心地支配了试验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系一一伯 努利方程。

5、欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从今开头了用微分方程和试验测量进行 流体运动定量争论的阶段。从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明白很 多规律。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少争论。在上述的争论中，流体的粘性 并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。19世纪，工程师们为了解决很多工程问题，尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是他们部分地运用流体力学，部分 地采纳归纳试验结果的半阅历公式进行争论，这就形成了水力学，至今它仍与流体力学并行地进展。1822年，纳维

6、建立 了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯乂以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏观力学基本概念 论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程），它是流体动力学的理论基础。上面说到 的欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和试验测量等各个角度，建立了边界层 理论，能实际计算简洁情形下，边界层内流淌状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克又提出了很多新概念，并广泛 地应用到飞机和汽轮机的设计中去。这一理论既明确了抱负流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。使20世

7、纪初，飞机的消失极大地促进了空气动力学的进展。航空事业的进展，期望能够揭示飞行器四周的压力分布、飞 行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在试验和理论分析方面的进展。20世纪初，以儒科夫斯基、恰普雷 金、普朗克等为代表的科学家，开创了以无粘不行压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明白机翼怎样会受到举 力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性，使人们重新熟悉无粘流体的理论，确定了它指导工程设计 的重大意义。机翼理论和边界层理论的建立和进展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。随着汽轮机的完善和IS机飞行速度提高到每秒50米以上，又快

8、速扩展了从19世纪就开头的，对空气密度变化 效应的试验和理论争论，为高速飞行供应了理论指导。20世纪40年月以后，由于喷气推动和火箭技术的应用，飞行器速 度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流淌的争论进展快速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支 学科。以这些理论为基础，20世纪40年月，关于炸药或自然 气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论，为争论原子 弹、炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，进展了爆炸波理论。此后，流体力学又进展了很多分支，如超群声速空 气动力学、超音速空气动力学、淡薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相（气液或气固）流等等。这些巨大进展是和采纳各种

9、数学分析方法和建立大型、精密的试验设施和仪器等争论手段分不开的。从50年月起， 电子计算机不断完善，使原来用分析方法难以进行争论的课题，可以用数值计算方法来进行，消失了计算流体力学这一 新的分支学科。与此同时，由于民用和军用生产的需要，液体动力学等学科也有很大进展。20世纪60年月，依据结构力学和固体力学的需要，消失了计算弹性力学问题的有限元法。经过十多年的进展，有限 元分析这项新的计算方法又开头在流体力学中应用，尤其是在低速流和流体边界外形甚为简单问题中，优越性更加显 着。近年来又开头了用有限元方法争论高速流的问题，也消失了有限元方法和差分方法的相互渗透和融合。从20世纪60年月起，流体力学

10、开头了流体力学和其他学科的相互交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理- 化学流体动力学、磁流体力学等；原来基本上只是定性地描述的问题，逐步得到定量的争论，生物流变学就是一个例流体力学的争论内容子。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，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业亲密相关的。大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动（包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等）乃至地球深处熔浆的流淌都是流体力学的争论内容。20世纪初，世界上第一架飞机消失以后，飞机和其他各种飞行器得到快速进展。20世纪50年月开头的航天飞行，

11、使 人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航天事业的蓬勃进展是同流体力学的分支学科一一空气动力学和气体动 力学的进展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。石油和自然气的开采，地下水的开发采用，要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动，这是流体力学分支之一一渗流力学争论的主要对象。渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分别和多孔过滤，燃烧室的冷却等 技术问题。燃烧离不开气体，这是有化学反应和热能变化的流体力学问题，是物理-化学流体动力学的内容之一。爆炸是猛烈的 瞬间能量变化和传递过程，涉及气体动力学，从而形成了爆炸力学。沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工

12、中气体催化剂的运动等，都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有 气泡等问题，这类问题是多相流体力学争论的范围。等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。争论 等离子体的运动规律的学科称为等离子体动力学和电磁流体力学，它们在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动等 方面有广泛的应用。风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动；废气和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和海 岸患病侵蚀；争论这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的学科称为环境流体力学（其中包括环境空气动 力学、建筑空气动力学）。这是一门涉及经典流体力学、气象

13、学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。生物流变学争论人体或其他动植物中有关的流体力学问题，例如血液在血管中的流淌，心、肺、肾中的生理流体运动 和植物中养分液的输送。此外，还争论鸟类在空中的飞行，动物在水中的游动，等等。因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可 分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；从对不同“力学模型”的争论来分，则有抱负流体动力学、粘性流体动力 学、不行压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。流体力学的争论方法进行流体力学的争论可以分为现场观测、试验室模拟、理论分析、数值计算四个方面：现场观测

14、是对自然界固有的流淌现象或已有工程的全尺寸流淌现象，采用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运 动的规律，并借以猜测流淌现象的演化。过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。不过现场流淌现象的发生往往不能掌握，发生条件几乎不行能完全重复消失，影响到对流淌现象和规律的争论；现场 观测还要花费大量物力、财力和人力。因此，人们建立试验室，使这些现象能在可以掌握的条件下消失，以便于观看和 争论。同物理学、化学等学科一样，流体力学离不开试验，尤其是对新的流体运动现象的争论。试验能显示运动特点及其主 要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。二百年来流体力学进展史中每一项重大进展都离不开试验。象的尺度

15、转变（放大或缩小）以便能支配试验。有些流淌现象难丁靠理论计算解决，有的则不行能做原型试验（成本太高或规模太大）。这时，依据模型试验所得的数据可以用像换算单位制那样的简洁算法求出原型的数据。现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而试验室模拟却可以对还没有消失的事物、没有发生的现象（如待设 计的工程、机械等）进行观看，使之得到改进。因此，试验室模拟是争论流体力学的重要方法。理论分析是依据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，采用数学分析的手段，争论流体的运动,首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分析其中的各种冲突并抓住主要方面，对问题进行简化而建 立反映问题本质的“

16、力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不行压缩流体、抱负流体、 平面流淌等。其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、 动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流淌参量的关系式（例如状态方程），或者其他方程。这些方程合在一起 称为流体力学基本方程组。求出方程组的解后，结合详细流淌，解释这些解的物理含义和流淌机理。通常还要将这些理论结果同试验结果进行比 较，以确定所得解的精确程度和力学模型的适用范围。从基本概念到基本方程的一系列定量争论，都涉及到很深的数学问题，所以流体力学的进展是以数学的进展为前提。 反过来，

17、那些经过了试验和工程实践考验过的流体力学理论，又检验和丰富了数学理论，它所提出的一些未解决的难 题，也是进行数学争论、进展数学理论的好课题。按目前数学进展的水平看，有不少题目将是在今后几十年以内难于从 纯数学角度完善解决的。在流体力学理论中，用简化流体物理性质的方法建立特定的流体的理论模型，用削减自变量和削减未知函数等方法来 简化数学问题，在肯定的范围是胜利的，并解决了很多实际问题。对于一个特定领域，考虑详细的物理性质和运动的详细环境后，抓住主要因素忽视次要因素进行抽象化也同时是简 化，建立特定的力学理论模型，便可以克服数学上的困难，进一步深化地争论流体的平衡和运动性质。20世纪50年月开头，

18、在设计携带人造卫星上天的火箭发动机时，协作试验所做的理论争论，正是依靠一维定常流的引入和简化，才能准时得到指导设计的流体力学结论。此外，流体力学中还常常用各种小扰动的简化，使微分方程和边界条件从非线性的变成线性的。声学是流体力学中采纳小扰动方法而取得重大成就的最早学科。声学中的所谓小扰动，就是指声音在流体中传播时，流体的状态（压力、密 度、流体质点速度）同声音未传到时的差别很小。线性化水波理论、薄机翼理论等虽然由于简化而有些粗略，但都是比较 好地采纳了小扰动方法的例子。每种合理的简化都有其力学成果，但也总有其局限性。例如，忽视了密度的变化就不能争论声音的传播；忽视了粘性 就不能争论与它有关的阻

19、力和某些其他效应。把握合理的简化方法，正确解释简化后得出的规律或结论，全面并充分熟 悉简化模型的适用范围，正确估量它带来的同实际的偏离，正是流体力学理论工作和试验工作的精华。流体力学的基本方程组特别简单，在考虑粘性作用时更是如此，假如不靠计算机，就只能对比较简洁的情形或简化后 明的欧拉方程或N-S方程进行计算。20世纪30J40年月，对于简单而又特殊重要的流体力学问题，曾组织 过人力用儿个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时四周的无粘流场就从1943年始终算到1947年。数学的进展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的创造，使很多原来无法用理论分析求解的简单流体力 学问题

20、有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的进展，并形成了 “计算流体力学”。从20世纪60年月起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，常常采纳电子计算机做数值模拟，这可以和物理试验 相辅相成。数值模拟和试验模拟相互协作，使科学技术的争论和工程设计的速度加快，并节约开支。数值计算方法最近 进展很快，其重要性与日俱增。解决流体力学问题时，现场观测、试验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。试验需要理论指导，才能 从分散的、表面上无联系的现象和试验数据中得出规律性的结论。反之，理论分析和数值计算也要依靠现场观测和试验 室模拟给出物理图案或数据，以建立流淌的力学模型和数学模式；最终，

21、还须依靠试验来检验这些模型和模式的完善程 度。此外，实际流淌往往特别简单（例如湍流），理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得不到详细 结果，只能通过现场观测和试验室模拟进行争论。流体力学的展望从阿基米德到现在的二千多年，特殊是从20世纪以来，流体力学已进展成为基础科学体系的一部分，同时又在工 业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等方面得到广泛应用。今后，人们一方面将依据工程技术方面的需要进行流体力学应用性的争论，另一方面将更深化地开展基础争论以探求 流体的简单流淌规律和机理。后一方面主要包括：通过湍流的理论和试验争论，了解其结构并建立计算模式；多相流淌：流体和结构物的

22、相互作用；边界层流淌和分别；生物地学和环境流体流淌等问题：有关各种试验设施和仪器等。流体力学进展简史摘自流体力学作为经典力学的一个重要分支，其进展与数学、力学的进展密不行分。它同样是人类在长期与自然灾难作斗争的过程中逐 步熟悉和把握自然规律，渐渐进展形成的，是人类集体才智的结晶。人类最早对流体力学的熟悉是从治水、浇灌、航行等方面开头的。在我们国家水力事业的历史特别悠久。4000多年前的大禹治水，说明我们国家古代已有大规模的治河工程。秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠:大水利工程，特殊是李冰父子领导修建的都江堰，既有利于岷江 洪水的疏排，又能常年用于浇灌农田，并总结出

23、“深淘滩，低作堰、“遇弯截角，逢正抽心”的治水原则。说明当时对明槽水流和堰流 流淌规律的熟悉已经达到相当水平。西汉武帝（公元前156-前87）时期，为引洛水浇灌农田，在黄土高原上修建龙首渠，制造性地采纳了井渠法，即用竖井沟通长十 余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。在古代，以水为动力的简洁机械也有了长足的进展，例如用水轮提水，或通过简洁的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太 守时（公元37年）曾制造水排（水力鼓风机），采用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早 了一千一百年。古代的铜壶滴漏（铜壶刻漏）一计时工具，就是采用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间

24、的。说明当时对孔口出流已有相当的熟 悉。北宋（960-1126）时期，在水道上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。明朝的水利家潘季顺（1521T595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和借清刷黄”的治黄原则，并着有两河管 见、两河经略和河防一揽。清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象争论的是古希腊学者阿基米德（Archimedes,公元前287 212）,在公元前250年发表学术论文论浮体，第一个阐明白相对密度的概念，发觉了物体在流体中所受浮力的基本原理一阿基米德原理。

25、闻名物理学家和艺术家列奥纳德.达芬奇斯蒂文(S.Stevin, 1548-1620)将用于争论固体平衡的凝聚原理转用到流体上。伽利略(Galileo,1564T642)在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的 提高而增大。托里析利(E.Torricelli, 1608-1647)论证了孔口出流的基本规律。帕斯卡(B. Pasca 1,1623-1662)提出了密闭流体能传递压强的原理一帕斯卡原理。牛顿(LNewton, 1642-1727)于1687年出版了自然哲学的数学原理。争论了物体在阻尼介质中的运动，建立了流体内摩擦定 律，为粘性流体力学初

26、步奠定了理论基础，并争论了波浪运动等问题。伯努利(D. Bernoulli, 1700-1782)在1738年出版的名著流体动力学中，建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转 换关系一伯努利方程。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动力学的进展。欧拉(LEuler, 17071783)是经典流体力学的奠基人，1755年发表流体运动的一般原理，提出了流体的连续介质模型，建立 了连续性微分方程和抱负流体的运动微分方程，给出了不行压缩抱负流体运动的一般解析方法。他提出了争论流体运动的两种不同方 法及速度势的概念，并论证了速度势应满意的运动条件和方程。达朗伯(J.le R.

27、 d, Alembert, 1717-1783) 1744年提出了达朗伯疑题(又称达朗伯佯谬)，即在抱负流体中运动的物体既没有升力 也没有阻力。从反面说明什抱负流体假定的局限性。拉格朗日(J. -L. Lagrange, 1736-1813)提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步进展。严格地论证 了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开拓了道路。弗劳德小.Froude, 18107879)对船舶阻力和摇摆的争论颇有贡献，他提出了船模试验的相像准则数一弗劳德数，建立了现代船模 试验技术的基础。亥姆霍兹(H. von He

28、lmholtz, 1821-1894)和基尔霍夫纳维(C. -L. -M. -H. Navier)首先提出了不行压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯闻名的学者谢才(A. de Ch6zy)在1755年便总结出明渠匀称流公式一谢才公式，始终沿用至今。雷诺(O. ReynoldS, 1842-1912) 1883年用试验证明白粘性流体的两种流淌状态一层流和紊流的客观存在，找到了试验争论粘性流 体流淌规律的相像准则数一雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流淌阻力的争论奠定了基础。幽库塔普朗特(LPrandtl, 1875-1953)建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和

29、其他工程技术中消失的紊流 边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的进展作出了重要的贡献。儒科夫斯基(H. E.Ky O B c M 18471921)从1906年起，发表了论依附涡流等论文，找到了翼型升力和绕翼型的环 流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还争论过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的争论成果， 对空气动力学的理论和试验争论都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。 (T. von Kdnndn, 1881T963)在19117912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理

30、论，人们称这 种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气 动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。布拉休斯(RBlasius)在1913年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的阅历公式。伯金汉(EBuckingham)在1914年发表的在物理的相像系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了闻名的定理，进一步完 善了量纲分析法。尼古拉兹(J. Nikuradze)在1933年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果一尼古拉兹曲线，据此他还给紊 流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。科勒布

31、茹克莫迪我们国家科学家的杰出代表钱学森(Qian Xuesen)早在1938年发表的论文中，便提出了平板可压缩层流边界层的解法一卡门-钱学 森解法。他在空气动力学、航空工程、喷气推动、工程掌握论等技术科学领域做出过很多开创性的贡献。吴仲华(WU Zhonghua)在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流淌的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外很 多优良叶轮机械设计计算的主要依据。周培源(Zhou Peiyuan)多年从事紊流统计理论的争论，取得了不少成果，1975年发表在中国科学上的匀称各向同性湍流的 涡旋结构的统计理论便是其中之一。20世纪中业以来，大工业的形成，高新技术工业的消失和进展，特殊是电子计算机的消失、进展和广泛应用，大大地推动了科学技 术的进展。由于工业生产和尖端技术的进展需要，促使流体力学和其他学科相互浸透，形成了很多边缘学科，使这一古老的学科进展 成包括多个学科分支的全新的学科体系，焕发出强盛的生气和活力。这一全新的学科体系，目前已包括：(一般)流体力学，粘性流体 力学，流变学，气体动力学，淡薄气体动力学，水动力学，渗流力学，非牛顿流体力学，多相流体力学，磁流体力学，化学流体力 学，生物流体力学，地球流体力学，计算流体力学等。