發(fā)展中的流體力學

1、 i發(fā)展中的流體力學摘要回顧流體力學發(fā)展的歷史，概述迄今在其各個分支領域中已取得的主要成就以及力學大師，中國老一輩科學家的重要貢獻. 分析不同時期的發(fā)展特點，尤其是近幾十年來，由于計算流體力學 日臻成熟，非線性力學取得重大進展，新興學科分支不斷涌現(xiàn)，形 成了現(xiàn)代流體力學的發(fā)展階段.展望在21世紀，流體力學的基礎研 究和應用研究必將在經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的各個方面發(fā)揮重要作用。 關鍵詞流體力學科學史 力學展望現(xiàn)代意義下的流體力學形成于上世紀初.它是通過Pr腳dt l的邊界層理論完成的.但在此以前的不少理想流體研究的成果，至今仍有意義，如水波的基本理論.Pr 、nd tl的邊界層理論還導致 了應用數(shù)

2、學中有名的漸近匹配法的形成，并迅速在其它學科中找到 了廣闊的應用領域.上上個世紀在運河河道中發(fā)現(xiàn)的孤立波在 60年 代得到了徹底的解決，既推動了力學和數(shù)學的發(fā)展，也迅速導致在 其它學科如光學、聲學中發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象.現(xiàn)在孤立波（光學中稱孤 立子）已成了光通信的基石.上世紀60年代，為探索為何基于流體 力學方程的數(shù)值天氣預報只能準確到很少幾天，通過簡化這組方程 之后，得到了現(xiàn)在已十分著名的L or cn z方程.數(shù)值計算表明，它 的解對初值十分敏感，以致一定時間之后，其值變得幾乎完全不可 預測的了 .這一發(fā)現(xiàn)開辟了混沌研究新領域，奠定了非線性科學的 基礎.這一事實還說明，流體力學方程（N S方程）

3、的內(nèi)涵十分深邃 對它的了解還遠不是充分的.水波中各種波的非線性作用的研究 ， 也豐富了非線性科學的內(nèi)容.流體力學是一門基礎性很強和應用性很廣的學科。 它的研究對象 隨著生產(chǎn)的需要與科學的發(fā)展在不斷地更新，深化和擴大。60年代 以前，它主要圍繞航空，航天，大氣，海洋，航運，水利和各種管 路系統(tǒng)等方面，研究流體運動中的動量傳遞問題，即局限于研究流 體的運動規(guī)律，和它與固體，液體或大氣界面之間的相宜作用力問 題。50年代以后，能源，環(huán)境保護，化工和石油等領域中的流體力 學問題，逐漸受到重視。這類問題的特征是：尺度小，速度低，并在 流體運動過程中還伴隨有傳熱，傳質現(xiàn)象。 近年來，流體的對流傳 熱，傳質

4、問題受到高度重視，并獲得巨大發(fā)展。這樣，流體力學的研 究對象，從流體的動量傳遞擴展到它的熱量與質量傳遞 ，也就是說, 除了研究流體的運動規(guī)律以外，還要研究它的傳熱，傳質規(guī)律。 流體力學與我國現(xiàn)代化建設有著密切的聯(lián)系，例如：研究大氣和海 洋運動可以做好天氣與海情預報，以便為農(nóng)業(yè)，漁業(yè)，航空，航海, 國防和人民生活服務；研究各種空間飛行物體如飛機，人造衛(wèi)星，導 彈，炮彈和各種水上或水下運動物體如船艦，潛艇，魚雷等的運動， 可以了解它們的空氣和水動力性能，以便獲得阻力小，穩(wěn)定性高的 最佳物體外形；研究河流，渠道和各種管路系統(tǒng)內(nèi)的流動，可以掌 握它們的運動規(guī)律，特別是它們與各種界壁之間的作用力，以便獲

5、得 耗能少，安全性高的工程設計；研究核反應堆，動力設備中的冷卻 系統(tǒng)，熱交換器，水暖系統(tǒng)以及各種化工設備中的流動，不僅可以 了解它們的運動規(guī)律，而且可以掌握它們在壁面處的傳熱，傳質規(guī) 律等。此外，油田氣田的開發(fā)，地下水的利用，以及機械的潤滑等均 無不與流體力學密切相關。特別是近數(shù)十年來，流體力學與相鄰學科 相結合，發(fā)展了許多新的交叉分支學科，大大充實了流體力學的研究 內(nèi)容和擴大了它的研究和應用領域。1經(jīng)典流體力學的發(fā)展經(jīng)典流體力學是從17世紀開始形成的.首先要歸功于牛頓發(fā)明了微 積分.在他的著作自然哲學的數(shù)學原理一書中，他還研究了粘性 流體的剪應力公式，聲速和潮汐理論.在18世紀,1 7 3

6、8 年，提 出了著名的伯努里定理.1 752 年，達倫貝爾獲得了連續(xù)性方程. 尤其是，歐拉于1 7 7 5年提出了流體運動的描述方法和無粘性流體 運動的方程組，推動了無粘性流動，包括有自由面的水波運動的研 究.所以，歐拉是理論流體動力學的奠基人.19世紀的主要進展是 對無粘有旋和粘性流動的初步研究.1 8 2 3 年，1 8 4 5 年，納維、 斯托克斯分別導出了粘性流體運動的基本方程組，這就是著名的N 一S方程，并為當時哈恨、泊肅葉通過實驗得到的圓管中粘性流體的 流量公式所驗證(S ut e r a , Sk a ak 1 9 93 ), 這是粘性流體 運動理論的發(fā)端.1 8 58 年，亥姆

7、霍茲給出的定理是研究旋渦運動 的基本出發(fā)點，所以他們是無粘旋渦運動研究的創(chuàng)始人.19世紀對 非線性波開始有了認識，如1 834年羅素對于孤立波的實際觀察，1 8 4 7年斯托克斯獲得的有限振幅波的三階解都是典型的例子 .通 過對雙曲型方程的研究，人們發(fā)現(xiàn)了間斷解，1 8 6 。年提出了黎曼問題.1 869 年，蘭金給出了激波前后的關系式.這是對流動可壓 縮性的初步研究結果.由此可見，經(jīng)典流體力學的出現(xiàn)，使我們的 認識建立在嚴密的理論基礎上.但是，它同具有實際應用，經(jīng)驗半 經(jīng)驗的水力學卻分道揚鑲了。由于認識水平的限制，還無法從理論上 解釋運動物體所受的阻力（達倫貝爾佯謬），即對于兩種最重要的流

8、體：水和空氣，其粘性很小，人們很難理解被經(jīng)典理論所忽略的摩 擦力怎么會在如此程度上影響流體的運動.所以，當時的情況是，水力學工程師觀察著不能解釋的現(xiàn)象，而數(shù)學家卻解釋著觀察不到 的事物。2現(xiàn)代流體力學的發(fā)展所謂現(xiàn)代流體力學指的是，用現(xiàn)代的理論方法、計算和實驗技術， 研究同現(xiàn)代人類社會生產(chǎn)活動和生存條件緊密相關的流動問題的學 科領域.所以，現(xiàn)代流體力學正處在一個用理論分析，數(shù)值計算,實驗模擬相結合的方法，以非線性問題為重點，各分支學科同時并 進的大發(fā)展時期.這一時期，漸近分析方法日臻成熟，已經(jīng)成為一 門獨立的學科分支,St盯r o ck和W hi tha m 分別提出了多重尺度 法和平均變分法，

9、V on D ykc 的延伸攝動級數(shù)理論擴大了適用的參 數(shù)范圍.純粹數(shù)學中泛函，群論，拓撲學，尤其是微分動力系統(tǒng)的 發(fā)展為研究非線性問題提供了有效的手段.由于建成了適合于研究不同馬赫數(shù)、雷諾數(shù)范圍典型流動現(xiàn)象的風洞、激波管、彈道靶以及 水槽、水洞、轉盤等實驗設備，發(fā)展了熱線技術，激光技術，超聲技 術和速度、溫度、濃度及渦度的測量技術，流動顯示和數(shù)字化技術延 長了人的感官，可以觀察新的物理現(xiàn)象，并獲得更多的信息.最重 要的是，計算機的迅猛發(fā)展，從根本上改變了流體力學面臨非線性 方程就束手無策的狀況，大量數(shù)據(jù)采集和處理也就成為可能.因為 實際問題大多是學科交叉的，新興學科領域的出現(xiàn)也是十分自然的。

10、 在這一時期的主要成就如下：計算流體力學已發(fā)展成熟，出現(xiàn)了有限差分，有限元，有限分 析，譜方法和辛算法，建立了計算流體力學的完整的理論體系，即穩(wěn)定性理淪，數(shù)值誤差耗散，色散原理，網(wǎng)格生成和自適應技術， 迭代和加速收斂方法.提出了許多有效格式，如T v D和ENO格式, G o d u n o v方法和拉格朗日算法，為求解自由邊界問題的M A C方 法，為提高分辨率的緊致格式等等。計算流體力學在高速氣體動力學 和湍流的直接數(shù)值模擬中發(fā)揮了重大作用.前者主要用于航天飛機的設計，由于物體幾何形狀和流場極其復雜，涉及寬闊的流動范圍， 要考慮內(nèi)自由度激發(fā)和化學反應，計算流體力學家為此進行了不懈 的努力(

11、Ti r sky 1 9 3). 此外，還研究了非定常流的控制，超臨界 翼的設計等問題.后者要求分辨到K ol m og or ov耗散尺度，計算工作量極大，如果沒有先進的計算機是不可能完成的。目前，超級計 算機，工作站的性能有了飛躍，最高速度可達每秒數(shù)百億次，存儲 達數(shù)十吉，并行度也在提高，因此，人們已經(jīng)可以用歐拉方程，雷 諾平均方程求解整個飛機的流場，以及雷諾數(shù)達到1 0 5的典型流動 的湍流問題.計算流體力學幾乎滲透到流體力學的每個分支領域。非線性流動間題取得重大進展.自60年代起，對色散波理論進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象，發(fā)展了求解非線性發(fā)展方程 完整的理論和數(shù)值方法，并被廣泛應

12、用于其它學科領域.物理上， 提出了波作用量守恒原理，揭示了共振相互作用是子系統(tǒng)間交換能 量的方式，并應用：深水波演化的研究.三維非線性波和與波有關 的流動相互作用是這一領域的研究前沿(H o mmI c k 1 9 9 3 ).非 線性穩(wěn)定性的研究主要針對轉披問題，探討不穩(wěn)定波的發(fā)展情況，用三波共振，二次不穩(wěn)定來解釋K型流向渦結構和N型拉姆達渦結 構的轉披方式，用波包來研究湍流斑的形成.由于理論分析的局限 性，要結合數(shù)值方法才能描述轉披的全過程(R o b in s on 1 9 9 1 )。 湍流的基礎研究從統(tǒng)計方法轉向擬序結構的研究，因為擬序結構對于動量、能量、質量的傳輸起著決定性的作用，

13、也便于控制.擬序結 構可用流動顯示，條件采樣識辨，基于L u m le y的物理思想，近年來，Si r ov ic h提出的P O D方法從數(shù)學上定義了擬序結構，并 在理論上證明了可用最少量的模態(tài)來近似描述無限維動力系統(tǒng)，這是理論分析和數(shù)據(jù)處理的重要手段(B e r ko oz 1 9 93 )。R N G (重 正化群)理論正在完善，并應用于剪切湍流.發(fā)展了 B o Itz m a n 格 子氣模型以克服方法原有的不足，并有效地研究了滲流問題o出現(xiàn)了以下一些新興的學科分支： 生物流體力學、磁流體力學和 等離子體物理、物理化學流體力學。21世紀展望在未來，流體力學仍有著極其廣闊的應用前景，對于人類和 我國的經(jīng)濟建設和社會的持續(xù)發(fā)展的各個方面有著不可忽視的作用根據(jù)以上所提出的重要科學技術問題，還可以看出，21世紀的流體力學是本世紀現(xiàn)代流體力學發(fā)展的深化和繼續(xù)，隨著計算機的不斷更新?lián)Q代，不但可以解決極其困難復雜的正問題，將結果形象逼真地顯示出來，而且可以進行優(yōu)化設計與控制.所以要繼續(xù)發(fā)展大規(guī) 模科學與工程計算，研究并行算法與可視化技術，使計算流體力學 在其中發(fā)揮更大的作用.由于未來社會面臨的大多是高技術間題 , 基礎研究與應用研究不可分割，所以，仍要加強如渦、波、穩(wěn)定性、 湍流、兩相流、非平衡流的研究，研究其中的非線性相互作用現(xiàn)象, 并解決同實際應用背景