流体力学的发展

流体力学是力学的一个分支，主要研究流体本身的静态和运动状态，以及流体与固体边界壁之间存在相对运动时的相互作用和流动规律。流体力学中研究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。通常使用热力学知识，以及宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理化学的基本知识。当伯努利在1738年出版他的专著时，他首先采用了术语流体力学作为标题。空气动力学这个术语出现在1880年左右；1935年以后，人们总结了这两方面的知识，建立了一个统一的体系，统称为流体力学。除了水和空气之外，流体还指蒸汽、润滑油、地下油、含有淤泥的河水、血液、超高压下的金属和燃烧后产生的成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等。作为汽轮机的工作介质。流体力学广泛应用于气象和水利研究、船舶、飞机、涡轮机和核电厂的设计和运行、可燃气体或爆炸物的爆炸以及一些天体物理学问题。现代科学技术所关注的许多问题不仅以流体力学为指导，而且也促进了它的不断发展。1950年以后，电子计算机的发展极大地推动了流体力学。流体力学发展的简史流体力学是在人与自然的斗争和生产实践中逐渐发展起来的。在中国古代，有一个关于大禹治水和疏浚河流的传说。都江堰由秦朝李冰和他的儿子建造，由劳动人民领导，现在仍在发挥作用。大约在同一时期，古罗马人修建了大型供水管道系统等等。古希腊的阿基米德对流体力学学科的形成做出了第一个贡献。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。在接下来的一千年里，流体力学没有显著的发展。直到15世纪，列奥纳多·达·芬奇在意大利的作品才谈到水波、管道流动、水力机械、鸟类飞行原理等。17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。然而，流体力学，尤其是流体动力学，作为一门严格的科学，是在经典力学建立了速度、加速度、力和流场的概念以及质量、动量和能量三大守恒定律之后逐渐形成的。17世纪，力学的创始人牛顿研究了物体在流体中运动的阻力，得到了阻力与流体密度、物体面对电流的截面积和运动速度的平方之间的关系。他还提出了粘性流体内部摩擦的牛顿粘性定律。然而，牛顿还没有建立流体动力学的理论基础，他的许多力学模型和结论与实际情况大相径庭。后来，皮托管发明了一种皮托管来测量流速。达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验，证实了阻力与物体运动速度之间的平方关系。瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，将静力学中的压力概念推广到运动流体，建立了欧拉方程，并用微分方程正确地描述了无粘流体的运动。基于经典力学中的能量守恒，伯努利研究了供水管道中的水流，精心安排实验并进行分析，得出了流体稳定运动下的速度、压力与管道标高之间的关系——伯努利方程。欧拉方程和伯努利方程的建立标志着流体动力学作为一门分支学科的建立。从此，用微分方程和实验测量对流体运动进行定量研究的阶段开始了。自18世纪以来，势流理论取得了很大进展。许多定律已经在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面得到阐明。法国拉格朗日对非旋转运动做了大量研究，德国亥姆霍兹对涡旋运动做了大量研究。在上面的研究中，流体的粘度并没有起到重要的作用，也就是说，考虑了无粘性流体。当然，这个理论不能解释流体中粘度的影响。在19世纪，工程师们不得不解决许多工程问题，尤其是那些具有粘性效应的问题。因此，他们一部分使用流体力学，一部分使用半经验公式来研究实验结果，形成了水力学，它仍与流体力学并行发展。1822年，纳维尔建立了粘性流体的基本运动方程。1845年，斯托克斯在更合理的基础上推导出这个方程，并令人信服地证明了宏观力学中的基本概念。这组方程是纳维尔-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。当粘度为零时，上述欧拉方程是N-S方程的特例。普朗特学派从1904年到1921年逐渐简化了N-S方程，并从推理、数学论证和实验测量等多种角度建立了边界层理论，该理论能够在简单的条件下实际计算边界层内的流动状态和流体与固体之间的粘滞力。同时普朗克还提出了许多新概念，这些新概念已被广泛应用于飞机和汽轮机的设计中。该理论不仅定义了理想流体的适用范围，而且可以计算物体运动时所遇到的摩擦阻力。以上两种情况已经统一了。20世纪初，飞机的出现极大地推动了空气动力学的发展。随着航空事业的发展，人们期望揭示飞机周围的压力分布、飞机的受力情况和阻力，这将推动流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初，以鲁科夫斯基、查普利金、普朗克等为代表的科学家。以无粘不可压缩流体的势流理论为基础，提出了机翼理论，并解释了机翼如何承受升力，这样空气就可以将非常重的飞机举升到空中。机翼理论的正确性使人们能够重新理解无粘流体理论，并肯定其在指导工程设计中的重要意义。机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一个重要发展，它使无粘流体理论和粘性流体边界层理论很好地结合起来。随着汽轮机的改进和飞机飞行速度提高到每秒50米以上，始于19世纪的关于空气密度变化影响的实验和理论研究迅速扩展，为高速飞行提供了理论指导。20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞机的速度超过了音速，从而实现了太空飞行。高速气流的研究进展迅速，形成了气体动力学和物理化学流体动力学的分支学科。在这些理论的基础上，在20世纪40年代，一种新的理论形成了，爆炸波发生在介质，如炸药或天然气。爆轰波理论是用来研究原子弹爆炸后冲击波在空气或水中的传播。此后，流体力学发展了许多分支，如高超音速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气-液或气-固)流等。这些巨大的进步离不开各种数学分析方法的采用以及大型精密实验设备和仪器的建立。自20世纪50年代以来，电子计算机的不断改进使得用数值方法研究以前难以用分析方法研究的课题成为可能。计算流体动力学出现了一个新的分支。同时，由于民用和军用生产的需要，液体动力学等学科也取得了很大的进展。20世纪60年代，根据结构力学和固体力学的需要，出现了计算弹性力学问题的有限元方法。经过十几年的发展，有限元分析这一新的计算方法又被应用到流体力学中，特别是在低速流动和复杂流体边界形状的问题上，具有更加明显的优势。近年来，有限元方法被用于研究高速流动问题，有限元方法和差分方法的相互渗透和融合也随之出现。从20世纪60年代开始，流体力学开始渗透到其他学科，形成新的跨学科或边缘学科，如物理化学流体动力学和磁流体力学。最初，这个问题基本上是定性描述，逐渐得到定量研究。生物流变学就是一个例子。流体力学的研究内容流体是气体和液体的总称。流体在人们的生活和生产活动中随时随地都会遇到，因此流体力学与人类的日常生活和生产密切相关。大气和水是两种最常见的流体。大气层包围着整个地球，地球表面的70%是水。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等。)甚至是地球深部的熔浆流动都是流体力学的研究内容。20世纪初，在世界上第一架飞机出现后，飞机和其他种类的飞机迅速发展起来。始于20世纪50年代的太空飞行将人类活动的范围扩大到了其他星球和银河系。航空航天工业的蓬勃发展与流体力学的分支——空气动力学和空气动力学的发展密切相关。这些学科是流体力学中最活跃和最有成果的领域。石油和天然气的开采以及地下水的开采和利用要求人们了解流体在多孔或裂隙介质中的运动，这是流体力学的一个分支，也是渗流力学研究的主要对象。渗流力学还涉及到土壤盐渍化的防治、化学工业中的浓缩、分离和多孔过滤、燃烧室冷却等技术问题。燃烧离不开气体，气体是一个具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。爆炸是一种剧烈的瞬时能量变化和传递过程，涉及气体动力学，从而形成爆炸力学。沙漠迁移、河流泥沙输送、管道煤粉输送和化学工业气体催化剂的移动都涉及到流体中的固体颗粒或液体中的气泡等问题，这些都是多相流体力学研究的范围。等离子体是*电子、带相同正电荷的离子和中性粒子的集合。等离子体在磁场作用下有一个特殊的运动规律。研究等离子体运动规律的学科叫做等离子体动力学和电磁流体力学。它们在受控热核反应、磁流体动力发电、宇宙气体运动等方面有着广泛的应用。风对建筑物、桥梁、电缆等的影响。让它们承受负荷并激发振动。废气和废水的排放造成环境污染；河床冲淤和海岸侵蚀；研究这些流体运动及其与人类、动物和植物相互作用的学科叫做环境流体力学(包括环境空气动力学和建筑空气动力学)。这是一门新的前沿学科，涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等。生物流变学研究与人体或其他动植物相关的流体力学问题，如血管中的血流、心脏、肺和肾中的生理流体运动以及植物中的营养物质输送。此外，它还研究鸟在空中的飞行，动物在水中的游泳等。因此，流体力学不仅包括自然科学的基础理论，还涉及工程技术科学的应用。另外，从流体力学的角度来看，它可以分为流体静力学、流体运动学和流体动力学。根据对不同“力学模型”的研究，有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体动力学。流体力学的研究方法流体力学的研究可以分为四个方面:野外观察、实验室模拟、理论分析和数值计算。现场观测是利用各种仪器对现有工程的自然流动现象或全尺寸流动现象进行系统观测，从而总结流体运动规律，预测流动现象的演变。过去，天气观测和预报基本上都是这样进行的。然而，现场流动现象的发生往往失控，发生条件几乎不可能完全重复，影响了流动现象和规律的研究。现场观察也将花费大量的物质、财力和人力资源。因此，人们建立了实验室，使这些现象出现在可控的条件下进行观察和研究。像物理和化学一样，流体力学也不能脱离实验，尤其是对新的流体运动现象的研究。实验可以显示运动特征及其主要趋势，有助于形成概念和检验理论的正确性。在过去的200年里，流体力学历史上的每一个重大发展都离不开实验。模型实验在流体力学中起着重要的作用。这里的模型是指根据理论指导改变(放大或缩小)研究对象的规模，以便安排实验。一些流动现象很难通过理论计算解决，而另一些则不可能进行原型实验(成本太高或规模太大)。此时，根据从模型实验中获得的数据，可以通过简单的算法如转换单元系统获得原型数据。现场观察通常是对现有事物和项目的观察，而实验室模拟可以观察尚未发生的事物和现象(如项目和待设计的机械)以改进它们。因此，实验室模拟是研究流体力学的重要方法。理论分析基于流体运动的一般规律，如质量守恒、动量守恒、能量守恒等。，使用数学分析方法来研究流体运动，解释已知现象，并预测可能的结果。理论分析的步骤大致如下:第一，建立“力学模型”，即分析实际流体力学问题中的各种矛盾，把握主要方面，简化问题，建立反映问题本质的“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、不可压缩流体、理想流体、平面流等。其次，根据流体运动的特点，用数学语言表达质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外，应该添加一些关系(例如，状态方程)或与流动参数相关的其他方程。这些方程统称为流体力学基本方程。解方程后，结合具体的流动，解释了这些解的物理意义和流动机理。通常将这些理论结果与实验结果进行比较，以确定获得的解的准确性和机械模型的适用范围。从基本概念到基本方程的一系列定量研究涉及到深刻的数学问题，所以流体力学的发展是以数学的发展为前提的。另一方面，那些经过实验和工程实践检验的流体力学理论也检验和丰富了数学理论。它提出的一些未解决的问题也是数学研究和发展的好课题。根据目前的数学发展水平，在未来几十年里，许多问题将很难从纯数学的角度来解决。在流体力学理论中，通过简化流体的物理性质来建立特定流体的理论模型，通过减少自变量和未知函数来简化数学问题，在一定范围内取得了成功，解决了许多实际问题。对于一个特定的领域，在考虑了特定的物理属性和特定的运动环境后，对主要因素的把握和对次要因素的忽略也进行了简化。建立特定的力学理论模型可以克服数学困难，进一步研究流体的平衡和运动特性。自20世纪50年代以来，在设计运载人造卫星进入太空的火箭发动机时，与实验合作进行的理论研究是以一维定常流的引入和简化为基础的，以便能够及时获得指导设计的流体动力学结论。此外，在流体力学中经常使用各种小扰动来将微分方程和边界条件从非线性简化为线性。声学是流体力学中最早的学科，用小扰动方法取得了巨大的成就。声学中所谓的小扰动是指流体的状态(压力、密度、粒子速度)与声音不在流体中传播时的状态几乎没有区别。线性化水波理论、薄翼理论等。由于简化，有一些粗略的例子，但它们都是小扰动法的好例子。每一个合理的简化都有它的机械成就，但也有它的局限性。例如，如果忽略密度的变化，就不能讨论声音的传播。如果忽略粘度，就不能讨论阻力和其他一些与粘度有关的影响。掌握合理的简化方法，正确解释简化后得到的规律或结论，充分理解简化模型的适用范围，正确估计其与实际的偏差，是流体力学理论和实验工作的本质。流体力学的基本方程非常复杂，特别是在考虑粘性效应时。没有计算机，只能计算相对简单的情况或简化的欧拉方程或N-S方程。在20世纪30年代和40年代，对于复杂且特别重要的流体力学问题，人力被组织起来进行几个月甚至几年的数值计算。例如，从1943年到1947年，计算了超音速飞行时绕锥体的无粘流场。数学的发展、计算机的不断进步以及流体力学中各种计算方法的发明，使得许多复杂的流体力学问题获得数值解成为可能，而这些问题是理论分析无法解决的。这也促进了流体力学计算方法的发展，形成了“计算流体力学”。从20世纪60年代起，在飞机和其他涉及流体运动的课题中，数值模拟通常由电子计算机完成，它可以补充物理实验。数值模拟和实验模拟的结合，加快了科学技术的研究和工程设计，节约了费用。数值计算方法近年来发展迅速，其重要性日益增加。在解决流体力学问题时，现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算相辅相成。实验需要理论指导，以便从分散和看似无关的现象和实验数据中得出有规律的结论。相反，理论分析和数值计算还应根据现场观察和实验室模拟给出物理模式或数据，以建立流动的力学和数学模型。最后，这些模型和模型的完善性必须通过实验来检验。此外，实际流动通常极其复杂(例如湍流)。理论分析和数值计算在数学和计算上会遇到很大的困难。无法获得具体结果，只有现场观察和实验室模拟才能用于研究。流体力学的前景从阿基米德至今已有2000多年，特别是20世纪以来，流体力学已经发展成为基础科学体系的一部分，并已广泛应用于工业、农业、交通、天文学、地质学、生物学、医学等领域。未来，人们一方面将根据工程技术的需要开展流体力学的应用研究，另一方面将开展更深入的基础研究，探索复杂的流体流动规律和机理。后者主要包括:通过湍流的理论和实验研究，了解湍流的结构，建立计算模型；多相流；流体与结构的相互作用；边界层流动和分离:生物地球科学和环境流体流动及其他问题；关于各种实验设备和仪器等。