流体力学的发展简史

流体力学是在人类同自然界做斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说;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;大约与此同时,古罗马人建成了大规模的供水管道系统等。

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(Archimedes),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,流体力学没有重大发展。

直到15世纪,意大利达·芬奇(Da Vinci)的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题;17世纪,帕斯卡阐明了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,以及质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律三个守恒定律奠定之后才逐步形成的。

17世纪,力学奠基人牛顿(Newton)研究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、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对黏性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿黏性定律。但是,牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础,他提出的许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(Pitot)发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔(D’Alembert)对运河中船只的阻力进行了许多实验工作,证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系;瑞士的欧拉(Euler)采用了连续介质的概念,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黏性流体的运动;伯努利从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动,精心地安排了实验并加以分析,得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。

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,从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。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、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日(Lagrange)对于无旋运动,德国亥姆霍兹(Helmholtz)对于涡旋运动做了大量研究。在上述的研究中,流体的黏性并不起重要作用,即所考虑的是无黏性流体。这种理论当然阐明不了流体中黏性的效应。

19世纪,工程师们为了解决许多工程问题,尤其是要解决带有黏性影响的问题,部分地运用流体力学基本理论,部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究,这就形成了水力学,至今它仍与流体力学并行发展。1822年,纳维(Navier)建立了黏性流体的基本运动方程;1845年,斯托克斯(Stokes)又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方程在黏度为零时的特例。1883年,英国物理学家雷诺(Reynolds)发表了一篇重要经典文章《平行渠道中决定水的运动是直线还是曲线的情况以及阻力定律的实验研究》,提出了黏性流体存在层流和湍流两种流动状态,并且第一次明确地引进了一个特别重要的特征量——雷诺数,它在黏性流体中起着极其重要的作用。

普朗特(Prandtl)学派从1904年到1921年逐步将N S方程作了简化,从推理、数学论证和实验测量等各个角度,建立了边界层理论,能实际计算简单情形下,边界层内流动状态和流体同固体间的黏性力。同时普朗克(Planck)又提出了许多新概念,并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。这一理论既明确了理想流体的适用范围,又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力,使上述两种情况得到了统一。

20世纪初,飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展,期望能够揭示飞行器周围的压力分布、受力状况和阻力等问题,这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初,以普朗克等为代表的科学家,开创了以无黏不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论,阐明了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,使人们重新认识无黏性流体的理论,肯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发展是流体力学的一次重大进展,它使无黏性流体理论同黏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飞机飞行速度提高到每秒50米以上,从19世纪就开始的对空气密度变化效应的实验和理论研究又迅速得到了发展,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,飞行器速度超过声速,进而实现了航天飞行,使气体高速流动的研究进展迅速,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年代,关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论,为研究原子弹、炸药等起爆后激波在空气或水中的传播,发展了爆炸波理论。此后,流体力学又发展了许多分支,如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学和两相(气液或气固)流等。

这些巨大进展是和采用各种数学分析方法以及建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。从20世纪50年代起,电子计算机不断完善,使原来用分析方法难以进行研究的课题,可以用数值计算方法来进行,出现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法。经过十多年的发展,有限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用,尤其是在处理低速流和流体边界形状甚为复杂的问题时,优越性更加显著。近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题,也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。

从20世纪60年代起,流体力学开始了和其他学科的互相交叉渗透,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描述的问题,逐步得到定量的研究,生物流变学就是一个例子。

从阿基米德时期到现在的两千多年,特别是从20世纪以来,流体力学已发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,人们一方面将根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性的研究;另一方面将更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理,主要包括:通过湍流的理论和实验研究多相流动、流体和结构物的相互作用、边界层流动和分离、生物地学和环境流体流动等问题,以及各种更先进的流体力学实验设备和仪器的设计与开发等。