流體力學(xué)簡介

/一、著名科學(xué)家介紹*錢學(xué)森中國現(xiàn)代科學(xué)家，19１１年生于上海。1934年畢業(yè)于上海交通大學(xué)，1935至１９３8年在美國麻省理工學(xué)院和加利福尼亞理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí)。１938年獲博士學(xué)位,后在著名的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院等院校所從事研究。1９5５年回國，任中國科學(xué)院力學(xué)所所長、國防科工委副主任等職.主要成就有:提出跨聲速流動(dòng)相似律，建立卡門—-錢學(xué)森公式。著作有《工程控制論》、《星際航行概論》、《論系統(tǒng)工程》等。*卡門近代力學(xué)家，1８８1年5月1１日生于匈牙利布達(dá)佩斯;中學(xué)畢業(yè)后，卡門進(jìn)入皇家約瑟夫綜合技術(shù)大學(xué)(現(xiàn)在為布達(dá)佩斯技術(shù)大學(xué)）學(xué)習(xí),在那里他開始對力學(xué)產(chǎn)生興趣，并發(fā)表了最初幾篇論文。190２年,卡門大學(xué)畢業(yè).１906年，卡門到德國格丁根大學(xué)作了力學(xué)家L。普朗特（Praｎdｔl)的博士研究生.１908年完成博士論文，并留校作試用教員,提出了著名的卡門渦街理論。１913年初，在克萊因的推薦下，出任德國亞琛工業(yè)大學(xué)的航空學(xué)教授。1９２6年，遷居美國。1９30年，就任美國加州理工學(xué)院古根海姆航空實(shí)驗(yàn)室(GALCIT）主任，我國當(dāng)代的許多著名科學(xué)家，如錢學(xué)森、錢偉長、郭永懷等就是在這一時(shí)期來到ＧＡLＣIＴ的。第二次世界大戰(zhàn)期間，他作為加州理工學(xué)院新成立的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主任（１9３8——1944)，與美國軍方進(jìn)行了密切合作。195１年，卡門發(fā)起成立了北約組織內(nèi)的航空研究發(fā)展咨詢局(ＡGARＤ）。19５6年，根據(jù)他的建議成立了國際航空科學(xué)理事會(huì)。后來他又創(chuàng)立了國際航天學(xué)院,他任這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)直至逝世。他的一生，在固體力學(xué)和流體力學(xué)的理論研究方面取得了許多卓越的學(xué)術(shù)成就。*普朗特1875年2月４日生于德國慕尼黑附近的弗賴辛;1894年－－１８98年在慕尼黑工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)機(jī)械工程，畢業(yè)留校任教,從事工程力學(xué)教學(xué)及材料實(shí)驗(yàn)室工作。1９00年初加入紐倫堡機(jī)械制造協(xié)會(huì)，同年獲慕尼黑大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。190１年被漢諾威工業(yè)大學(xué)聘為力學(xué)教授。19０4年提出邊界層理論。19０4年夏,受聘到格丁根大學(xué)，初任工程物理副教授，19０７年6月?lián)螒?yīng)用力學(xué)正教授。１９１6年開始籌建開口回流普朗特式風(fēng)洞,在此基礎(chǔ)上,普朗特提出著名的機(jī)翼理論。19２0年——1９25年間,發(fā)表了許多有關(guān)彈塑性物體硬度問題的研究成果，引發(fā)了塑性力學(xué)這一領(lǐng)域內(nèi)的研究工作。晚年還涉足于流變學(xué)。盡管普朗特對固體力學(xué)有過重要貢獻(xiàn)，但其更輝煌的成就是在流體力學(xué)方面,他為之付出了畢生精力.他的流體力學(xué)名著《流體力學(xué)概論》，內(nèi)容遍及自然界和工程中出現(xiàn)的流體力學(xué)問題。1953年8月１5日普朗特病逝于格丁根，終年７9歲*雷諾18４2年8月23日生于愛爾蘭貝爾法斯特,最初在迪德姆上學(xué),后來在家里接受教育。18６1年,雷諾19歲時(shí)來到斯托尼斯特拉特福城，在機(jī)械工程師E.海斯（Hayes)的工場里當(dāng)學(xué)徒。1８６３年他以自費(fèi)生考入劍橋大學(xué)女王學(xué)院。1867年獲得學(xué)士學(xué)位,隨后進(jìn)入J．勞森(Ｌａｗson）的土木工程公司。１868年，26歲的雷諾申請到歐文斯學(xué)院（現(xiàn)名維多利亞大學(xué)）第一個(gè)工程學(xué)教授職位，這是雷諾一生中的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn).在這以后的37年教授生涯中，他在工程和物理學(xué),特別是力學(xué)領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)。雷諾對流體力學(xué)最重要的貢獻(xiàn)是他首次明確地區(qū)分出流體運(yùn)動(dòng)的兩種截然不同的類型（即層流和湍流).并引進(jìn)了一個(gè)特別重要的無量綱特征量--雷諾數(shù)。雷諾對流體力學(xué)的另一重要貢獻(xiàn)，在18８6年發(fā)表了關(guān)于潤滑理論方面的經(jīng)典文章，奠定了近代研究潤滑問題的基礎(chǔ),并導(dǎo)致了現(xiàn)代止推軸承的發(fā)展。另外，他還對波動(dòng)中群速度概念及空化現(xiàn)象進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究。二、我國流體力學(xué)進(jìn)展?三、流體力學(xué)簡介流體力學(xué)是研究流體介質(zhì)（如:液體，氣體和等離子體）的平衡、運(yùn)動(dòng),及其和流體中的物體相互作用以及在此過程中發(fā)生的動(dòng)量、能量和物質(zhì)交換的一門力學(xué)學(xué)科分支。

古代流體力學(xué)的發(fā)展與生產(chǎn)實(shí)踐緊密相關(guān)。如：我國李冰的都江堰工程，希臘阿基米德的浮力原理;１7世紀(jì)牛頓發(fā)明了微積分，為經(jīng)典流體力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)．17~19世紀(jì)，建立了歐拉方程，伯努利定理，赫姆霍茲定理，理論流體力學(xué)得到充分的發(fā)展；另一方面，由于求解粘性流體的納維－斯托克斯方程的困難,實(shí)際工程問題主要依靠水力學(xué)，如:謝才公式,達(dá)西定律都是例證。18８3年，雷諾實(shí)驗(yàn)開始了對粘性流體力學(xué)的理論研究，１904年，普朗特提出邊界層理論是近代流體力學(xué)發(fā)展的里程碑,由此可以用近似方法計(jì)算飛行器的阻力，使人類在計(jì)算機(jī)時(shí)代以前設(shè)計(jì)出飛機(jī)。20世紀(jì)上半葉,空氣動(dòng)力學(xué)的研究使人類克服了“聲障”、“熱障"，進(jìn)入空間時(shí)代．其中,以馮·卡門為首的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派，包括中國科學(xué)家錢學(xué)森，周培源，郭永懷等作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)代流體力學(xué)的特征是應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代高技術(shù)揭示基本流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理，解決與現(xiàn)代社會(huì)人類生活緊密相關(guān)的流動(dòng)問題。主要應(yīng)用于能源,交通，環(huán)境,信息，材料制備，生物醫(yī)學(xué)和國家安全等領(lǐng)域.?流體力學(xué)的研究途徑除了理論分析外，主要有數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，前者依靠計(jì)算機(jī)，精確、高效地求解大規(guī)模離散化的流體力學(xué)方程組,這是計(jì)算流體力學(xué)的目標(biāo).后者利用相似原理，在風(fēng)洞，水洞,水池，激波管進(jìn)行模型試驗(yàn),采用光、電手段，清晰顯示流動(dòng)圖象，精確測量流場中的諸物理量與物體受力特性.這是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的任務(wù).主要分支學(xué)科:?流動(dòng)穩(wěn)定性和湍流＊

氣體動(dòng)力學(xué)?水動(dòng)力學(xué)＊?地球流體力學(xué)?環(huán)境流體力學(xué)*

生物流體力學(xué)

磁流體力學(xué)

滲流*?多相流*

非牛頓流*

計(jì)算流體力學(xué)＊?實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)＊

(注:有*號的分支，流體力學(xué)專業(yè)委員會(huì)設(shè)有專業(yè)組）

學(xué)科研究對象—－—流體力學(xué)是一門基礎(chǔ)性很強(qiáng)和應(yīng)用性很廣的學(xué)科，它的研究對象隨著生產(chǎn)的需要與科學(xué)的發(fā)展在不斷的更新，深化和擴(kuò)大。60年代以前，它主要圍繞航空，航天，大氣,海洋，航運(yùn),水利和各種管路等方面,研究流體運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)量傳遞問題，即局限于研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,和它與固體，液體或大氣界面之間的相互作用力問題。?5０年代以后，能源，環(huán)境保護(hù)，化工和石油等領(lǐng)域中的流體力學(xué)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(yùn)動(dòng)過程中還伴隨有傳熱,傳質(zhì)現(xiàn)象。近年來，流體的對流傳熱，傳質(zhì)問題受到高度重視,并獲得巨大發(fā)展。這樣，流體力學(xué)的研究對象從流體的動(dòng)量傳遞擴(kuò)散到它的熱量和質(zhì)量傳遞，也就是說，除了研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以外，還要研究它的傳熱，傳質(zhì)規(guī)律.同樣地,在固體，液體或氣體界面處,不僅研究相互之間的作用力，而且還需要研究它們之間的傳熱，傳質(zhì)規(guī)律。學(xué)科研究方法－-－目前,解決流體力學(xué)問題的方法，共有：實(shí)驗(yàn)，分析和數(shù)值計(jì)算三種.１。實(shí)驗(yàn)方法

在流體力學(xué)的發(fā)展過程中,實(shí)驗(yàn)方法是最先使用的一種，其他兩種方法出現(xiàn)一已做出過巨大貢獻(xiàn)，即使到現(xiàn)在，若不使用這種方法,航空，航天事業(yè)和大型水利樞紐等復(fù)雜系統(tǒng)的順利實(shí)現(xiàn)，將仍然是不可能的。應(yīng)用這種方法的主要步驟是：（１）對所給定的問題，選擇適當(dāng)?shù)臒o量綱相似參數(shù)，并確定其大小范圍；（2）根據(jù)（１）準(zhǔn)備試驗(yàn)條件，其中包括模型的設(shè)計(jì)制造與設(shè)備儀器的選擇使用等；（３)制訂實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)；（４）整理和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并與其他方法或著者所得的結(jié)果進(jìn)行比較等。實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是：能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問題,能發(fā)現(xiàn)流動(dòng)中的新現(xiàn)象，和它的結(jié)果，可以作為檢驗(yàn)其他方法是否正確的依據(jù)。這種方法的缺點(diǎn)是：對不同情況,需作不同的實(shí)驗(yàn),即所得結(jié)果的普適性較差.2．分析方法

繼實(shí)驗(yàn)方法之后出現(xiàn)的是分析方法，應(yīng)用這種方法的主要步驟是：（1）建立簡化的數(shù)學(xué)模型，即根據(jù)所給問題的特點(diǎn)，作出一定的假設(shè),并用以簡化一般的流體力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程組和初始條件與邊界條件；（2)用分析方法求此簡化后的初始問題或邊值問題的分析解；(3）選擇適當(dāng)?shù)乃憷梅治鼋膺M(jìn)行具體的數(shù)值計(jì)算;（４)將所得算例結(jié)果與用其他所得的相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)簡化模型的合理性.分析方法的優(yōu)點(diǎn)是:分析解明確地給出了各種物理與流動(dòng)參量之間的變化關(guān)系,有較好的普適性。它的缺點(diǎn)是:數(shù)學(xué)上的難度很大，能獲得的分析解的數(shù)量有限。3.數(shù)值方法?用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,這是２0世紀(jì)中葉才出現(xiàn)的一種方法。這種方法的主要步驟：(１)對一般的流體運(yùn)動(dòng)方程,初始或邊界條件，進(jìn)行必要的簡化或改寫；（２）選用是動(dòng)的數(shù)值方法,對簡化或改寫的初始問題或邊值問題進(jìn)行離散化；（３）編制程序,選取算例進(jìn)行具體計(jì)算,并將所得結(jié)果