流體力學(xué)發(fā)展簡史-預(yù)覽頁
【正文】 20世紀(jì)60年代，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)的需要，出現(xiàn)了計算彈性力學(xué)問題的有限元法。 流體力學(xué)的研究內(nèi)容 流體是氣體和液體的總稱。 20世紀(jì)初，世界上第一架飛機(jī)出現(xiàn)以后，飛機(jī)和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展。 石油和天然氣的開采，地下水的開發(fā)利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質(zhì)中的運(yùn)動，這是流體力學(xué)分支之一——滲流力學(xué)研究的主要對象。 沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運(yùn)動等，都涉及流體中帶有固體顆粒或液體中帶有氣泡等問題，這類問題是多相流體力學(xué)研究的范圍。 風(fēng)對建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發(fā)振動；廢氣和廢水的排放造成環(huán)境污染；河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕；研究這些流體本身的運(yùn)動及其同人類、動植物間的相互作用的學(xué)科稱為環(huán)境流體力學(xué)(其中包括環(huán)境空氣動力學(xué)、建筑空氣動力學(xué))。 因此，流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。 不過現(xiàn)場流動現(xiàn)象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復(fù)出現(xiàn)，影響到對流動現(xiàn)象和規(guī)律的研究；現(xiàn)場觀測還要花費(fèi)大量物力、財力和人力。二百年來流體力學(xué)發(fā)展史中每一項重大進(jìn)展都離不開實(shí)驗(yàn)。這時，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可以用像換算單位制那樣的簡單算法求出原型的數(shù)據(jù)。理論分析的步驟大致如下： 首先是建立“力學(xué)模型”，即針對實(shí)際流體的力學(xué)問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對問題進(jìn)行簡化而建立反映問題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。反過來，那些經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐考驗(yàn)過的流體力學(xué)理論，又檢驗(yàn)和豐富了數(shù)學(xué)理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進(jìn)行數(shù)學(xué)研究、發(fā)展數(shù)學(xué)理論的好課題。 20世紀(jì)50年代開始，在設(shè)計攜帶人造衛(wèi)星上天的火箭發(fā)動機(jī)時，配合實(shí)驗(yàn)所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡化，才能及時得到指導(dǎo)設(shè)計的流體力學(xué)結(jié)論。線性化水波理論、薄機(jī)翼理論等雖然由于簡化而有些粗略，但都是比較好地采用了小擾動方法的例子。 流體力學(xué)的基本方程組非常復(fù)雜，在考慮粘性作用時更是如此，如果不靠計算機(jī)，就只能對比較簡單的情形或簡化后的歐拉方程或NS方程進(jìn)行計算。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M相互配合，使科學(xué)技術(shù)的研究和工程設(shè)計的速度加快，并節(jié)省開支。反之，理論分析和數(shù)值計算也要依靠現(xiàn)場觀測和實(shí)驗(yàn)室模擬給出物理圖案或數(shù)據(jù)，以建立流動的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模式；最后，還須依靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些模型和模式的完善程度。后一方面主要包括：通過湍流的理論和實(shí)驗(yàn)研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計算模式；多相流動；流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用；邊界層流動和分離；生物地學(xué)和環(huán)境流體流動等問題；有關(guān)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等。在我國水力事業(yè)的歷史十分悠久?！∥鳚h武帝（公元前156前87）時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。說明當(dāng)時對孔口出流已有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識。 歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古希臘學(xué)者阿基米德（Archimedes，公元前287－212），在公元前250年發(fā)表學(xué)術(shù)論文《論浮體》，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理?！⊥欣镂隼?16081647）論證了孔口出流的基本規(guī)律?！〔ǎ?700－1782）在1738年出版的名著《流體動力學(xué)》中，建立了流體位勢能、壓強(qiáng)勢能和動能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系──伯努利方程?！∵_(dá)朗伯（ 39。嚴(yán)格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運(yùn)動開辟了道路。斯托克斯（）嚴(yán)格地導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動分解為平動、轉(zhuǎn)動、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運(yùn)動。 雷諾（，18421912）1883年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粘性流體的兩種流動狀態(tài)──層流和紊流的客觀存在，找到了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。以后又針對航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。他的研究成果，對空氣動力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究都有重要貢獻(xiàn)，為近代高效能飛機(jī)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。在1930年的論文中，提出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。尼古拉茲（）在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實(shí)測結(jié)果尼古拉茲曲線，據(jù)此他還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應(yīng)有的系數(shù)。 我國科學(xué)家的杰出代表錢學(xué)森（Qian Xuesen）早在1938年發(fā)表的論文中，便提出了平板可壓縮層流邊界層的解法卡門錢學(xué)森解法。 20世紀(jì)中業(yè)以來，大工業(yè)的形成，高新技術(shù)工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，特別是電子計算機(jī)的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大大地推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)
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