流體力學發(fā)展簡史(編輯修改稿)
2025-07-23 04:56 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 的。 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)場觀測還要花費大量物力、財力和人力。因此，人們建立實驗室，使這些現(xiàn)象能在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。 同物理學、化學等學科一樣，流體力學離不開實驗，尤其是對新的流體運動現(xiàn)象的研究。實驗能顯示運動特點及其主要趨勢，有助于形成概念，檢驗理論的正確性。二百年來流體力學發(fā)展史中每一項重大進展都離不開實驗。 模型實驗在流體力學中占有重要地位。這里所說的模型是指根據(jù)理論指導，把研究對象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實驗。有些流動現(xiàn)象難于靠理論計算解決，有的則不可能做原型實驗(成本太高或規(guī)模太大)。這時，根據(jù)模型實驗所得的數(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)。 現(xiàn)場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現(xiàn)的事物、沒有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設計的工程、機械等)進行觀察，使之得到改進。因此，實驗室模擬是研究流體力學的重要方法。 理論分析是根據(jù)流體運動的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現(xiàn)象，預測可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下： 首先是建立“力學模型”，即針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質(zhì)的“力學模型”。流體力學中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。 其次是針對流體運動的特點，用數(shù)學語言將質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等定律表達出來，從而得到連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動參量的關(guān)系式(例如狀態(tài)方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。 求出方程組的解后，結(jié)合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結(jié)果同實驗結(jié)果進行比較，以確定所得解的準確程度和力學模型的適用范圍。 從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數(shù)學問題，所以流體力學的發(fā)展是以數(shù)學的發(fā)展為前提。反過來，那些經(jīng)過了實驗和工程實踐考驗過的流體力學理論，又檢驗和豐富了數(shù)學理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進行數(shù)學研究、發(fā)展數(shù)學理論的好課題。按目前數(shù)學發(fā)展的水平看，有不少題目將是在今后幾十年以內(nèi)難于從純數(shù)學角度完善解決的。 在流體力學理論中，用簡化流體物理性質(zhì)的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變量和減少未知函數(shù)等方法來簡化數(shù)學問題，在一定的范圍是成功的，并解決了許多實際問題。 對于一個特定領(lǐng)域，考慮具體的物理性質(zhì)和運動的具體環(huán)境后，抓住主要因素忽略次要因素進行抽象化也同時是簡化，建立特定的力學理論模型，便可以克服數(shù)學上的困難，進一步深入地研究流體的平衡和運動性質(zhì)。 20世紀50年代開始，在設計攜帶人造衛(wèi)星上天的火箭發(fā)動機時，配合實驗所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡化，才能及時得到指導設計的流體力學結(jié)論。此外，流體力學中還經(jīng)常用各種小擾動的簡化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學是流體力學中采用小擾動方法而取得重大成就的最早學科。聲學中的所謂小擾動，就是指聲音在流體中傳播時，流體的狀態(tài)(壓力、密度、流體質(zhì)點速度)同聲音未傳到時的差別很小。線性化水波理論、薄機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。 每種合理的簡化都有其力學成果，但也總有其局限性。例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播；忽略了粘性就不能討論與它有關(guān)的阻力和某些其他效應。掌握合理的簡化方法，正確解釋簡化后得出的規(guī)律或結(jié)論，全面并充分認識簡化模型的適用范圍，正確估計它帶來的同實際的偏離，正是流體力學理論工作和實驗工作的精華。 流體力學的基本方程組非常復雜，在考慮粘性作用時更是如此，如果不靠計算機，就只能對比較簡單的情形或簡化后的歐拉方程或NS方程進行計算。20世紀30～40年代，對于復雜而又特別重要的流體力學問題，曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數(shù)值計算，比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。 數(shù)學的發(fā)展，計算機的不斷進步，以及流體力學各種計算方法的發(fā)明，使許多原來無法用理論分析求解的復雜流體力學問題有了求得數(shù)值解的可能性，這又促進了流體力學計算方法的發(fā)展，并形成了“計算流體力學”。 從20世紀60年代起，在飛行器和其他涉及流體運動的課題中，經(jīng)常采用電子計算機做數(shù)值模擬，這可以和物理實驗相輔相成。數(shù)值模擬和實驗模擬相互配合，使科學技術(shù)的研究和工程設計的速度加快，并節(jié)省開支。數(shù)值計算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。 解決流體力學問題時，現(xiàn)場觀測、實驗室模擬、理論分析和數(shù)值計算幾方面是相輔相成的。實驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無聯(lián)
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