流体力学发展简史

流体力学是人类在长期的生产实践中逐步发展起来的。例如我国秦代的李冰父子根据“深淘滩，低作堰”的经验，修建了四川都江堰工程，具有很高的科学水平，反映了当时人们对堰流的认识已经达到相当高的程度。隋代修建的京杭大运河工程，全长1782 km，大大改善了我国南北水运条件。自秦汉时代我国劳动人民就已经开始利用水力能源，创造并不断地改进了水磨、水车等工具，汉代张衡还创造了由水力带动的浑天仪，这些都充分说明水利机械在当时已经有了很大的进展。另外，我国古代计时所用的滴漏就是利用孔口出流，即水位随时间变化的规律制造的，如此不一而足。与我国类似，古罗马人修建了供水管道系统，埃及、印度、希腊等国修建了水渠，并以此来发展农业和航运事业等。

流体力学真正发展成为一门科学的过程可大致分为以下三个阶段。

1. 经典流体力学的发展

古希腊的阿基米德建立了包括浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，由此奠定了流体静力学的基础。有一个讲述阿基米德发现浮力定律的著名的故事。相传，叙拉古的希洛王让工匠做一顶纯金王冠，王冠做得非常精致，可有人告发说，工匠在制作王冠时用银子偷换了金子。国王叫阿基米德想办法在不损伤王冠的情况下得出王冠里是否掺了假。阿基米德冥思苦想考虑如何解决这个问题。一天，他洗澡躺进澡盆时，发现自己身体越往下沉，盆里溢出的水就越多，而他则感到身体越来越轻。突然间，阿基米德欣喜若狂地跳出了澡盆，甚至忘记了穿衣服就直奔王宫，边跑边喊：“找到了，找到了！”阿基米德找到了什么？他找到的不仅是鉴定金王冠是否掺假的方法，而且是一个重要的科学原理，即浸没于水中的物体受到一个向上的浮力，浮力的大小等于它所排开液体的重量，并据此计算了王冠中金和银的含量。

流体力学是从17世纪开始形成的一门学科。首先是牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》一书中，研究了黏性流体的剪应力公式，即剪切应力大小与变形速率之间的关系式，提出了著名的牛顿内摩擦定律。伯努利在1738年提出了著名的伯努利方程；1752年，达朗贝尔提出了连续性方程；特别是欧拉于1775年提出了流体运动描述方法和理想流体运动方程组，推动了理想流体运动的研究。欧拉运动方程和伯努利方程的建立，是流体力学作为一个学科的重要标志，所以称欧拉是理论流体力学的奠基人。

19世纪的主要研究进展是对有旋流动和黏性流动的初步研究。纳维和斯托克斯分别于1823年和1845年导出了黏性流体流动的基本方程组，即著名的N-S方程。由N-S方程解出的圆管层流流动的流量公式，得到了哈根、泊肃叶的实验验证，由此奠定了黏性流体动力学理论的基础，也是实际流体流动的最基本的控制方程组。

2. 近代流体力学的发展

从19世纪末开始，流体力学主要研究黏性流动和高速流动的特性，使理论流体力学可以真正用来指导实践。这一时期的主要成就如下：

1883年，雷诺从实验中发现黏性流体的流动具有两种运动形态：层流和紊流。这一发现推动了一个世纪的紊流研究，尽管直到现在，紊流流动问题还在困扰着人们，但对这一问题的深入了解有助于理解和解决大量的实际问题，故这一发现是具有划时代意义的。

1904年，普朗特凭借丰富的实践经验和物理直觉，提出了著名的边界层理论。这一理论解决了黏性流体力学与理论流体力学之间的冲突（达朗伯悖论），使得在不能求解N-S方程之前解决了阻力问题，所以说普朗特是近代流体力学的奠基人。

注1：达朗伯悖论

【法国科学家 J. le R.达朗伯提出的一个流体力学中的问题。他从1744年开始采用分析的方法求解物体在流体中的运动阻力，1752年，他根据理想流体的有势流动理论，经过严格的计算，指出物体在无界不可压缩且无黏性流体中做匀速直线运动时所受到的合力等于零。这显然与实际不符，故称为达朗伯悖论，又称达朗伯疑题，详见第7章。】

1910年，泰勒提出了湍流的涡扩散理论。1923年，在对两个同心圆筒间流动的研究中，得出流动失稳的条件，形成所谓的泰勒涡，并于1935年建立了均匀各向同性湍流理论。泰勒的工作特点是善于把深刻的物理观察与数学方法相结合，并擅长设计简单的专门实验来验证其理论，这一点是很值得称赞和学习的。

1911年，卡门对圆柱尾涡的流动及其稳定性进行了深入研究，这就是著名的卡门涡街。根据这一研究，解释了桥梁风振、机翼颤振等现象。冯·卡门出身于奥匈帝国一个教育学教授的家庭，1902年毕业于布达佩斯皇家工学院，1906年去德国哥廷根大学求学，在普朗特（Ludwig Prandtl，1875—1953）的指导下，于1908年获得博士学位。自1928年起定居美国后，在加州理工学院建立了古根海姆空气动力学实验室，汇集了几乎世界上最优秀的人才，成为当时全世界空气动力学的研究中心，为人类的航空航天事业奠定了基础，故卡门被誉为航空航天大师。卡门的成果集中在气动方面，其中包括机翼的举力面理论、亚声速流动近似理论和跨声速相似理论等。 (https://www.xing528.com)

注2：塔科玛大桥垮塌事故与卡门涡街

【20世纪40年代，美国塔科玛大桥（Tacoma Narrows Bridge）垮塌事故的惨痛教训，使人们认识到流体力学知识对建筑安全上的重要作用。1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元建造了一座主跨度853.4 m的悬索桥。建成4个月后，于1940年11月7日碰到了一场风速为19 m/s的风。风虽不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9 m），直到桥面倾斜到45°左右，使吊杆逐根被拉断并导致桥面钢梁折断而损毁，坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影团队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，此记录后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。冯·卡门1954年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。卡门涡街交替脱落时会产生振动，并发出声响效应，这种声响是由于卡门涡街周期性脱落时引起的流体中的压强脉动所造成的声波，如日常生活中所听到的风吹电线的风鸣声就是由涡街脱落引起的。】

以普朗特为代表的应用力学学派的主要特点是工程科学同数学紧密结合，流体力学的研究也从理论回到生产实践，解决了飞行器设计所面临的关键技术问题，同时也推动了流体力学自身的发展，使黏性流动和可压缩流动的理论得到完善，为现代流体力学的发展奠定了基础。

3. 现代流体力学的发展

所谓现代流体力学是指用现代的理论方法、计算工具和试验技术研究流体流动问题的学科领域，采用理论分析、数值计算、试验模拟相结合的方法，这是一个以非线性问题为重点，各分支学科并进的发展时期，主要成就如下。

计算流体力学日臻成熟——出现了有限差分、有限元、有限分析、谱方法等，建立了计算流体力学的完整理论体系。计算流体力学在高速气体动力学和湍流的直接数值模拟中发挥了重大作用，前者主要用于航天飞机的设计，后者要求分辨率高且计算工作量大。目前已经出现较为成熟的商业软件，为相关产品的流体动力学研究与设计提供了模拟计算平台，可以说，计算流体力学几乎已经渗透到流体力学的各个分支领域。

现代流体力学产生的一些新兴的学科分支如下。

生物流体力学——主要研究人体的生理流动，如心脏和血管内血液的流动、呼吸系统等，这方面的研究为生物医学工程的发展作出了贡献。

磁流体力学和等离子体物理——主要研究在磁场中的流体运动规律，包括磁流体力学波的稳定性。磁流体力学这门学科是在20世纪40年代建立的，在天体与空间物理中得到应用。

物理化学流体力学——这是一个与扩散、聚并、燃烧和毛细流等物理化学现象有关的流体力学分支，最先是在20世纪50年代由列维奇倡导的。

多相流体动力学——研究两相以上同种或异种化学成分组成的混合物的流动，比如采用单流体模型研究泡沫流和栓塞流；采用双流体模型研究液固、气固或气液流动等。多相流在自然界与化工、冶炼以及石油工业中有着广泛的应用。

随着世界范围内能源需求的扩大与供应的紧张，必须加速与能源有关的工业的发展，例如风力发电、水力发电等。另外，石油的开采与运输问题涉及流体力学的理论与应用。人口增长与工业发展使人类面临严峻的环境问题，涉及气候、生态、污染和灾害等多学科交叉问题，这些都存在着大量的流体力学问题。流体力学在生物技术和生物工程的细胞层次上进行研究也是未来生物流体力学的发展趋势。所以，流体力学有着极其广阔的应用前景，对人类经济建设的各个方面有着越来越重要的作用。