生活中的流體力學(xué)

流體力學(xué)：流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭(zhēng)和在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來(lái)的。中國(guó)有大禹治水疏通江河的傳說(shuō)。秦朝李冰父子（公元前3世紀(jì)）領(lǐng)導(dǎo)勞動(dòng)人民修建了都江堰，至今還在發(fā)揮作用。大約與此同時(shí)，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)。對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出貢獻(xiàn)的首先是古希臘的阿基米德。他建立了包括物體浮力定理和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間，流體力學(xué)沒(méi)有重大發(fā)展。15世紀(jì)意大利達(dá)?芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥(niǎo)的飛翔原理等問(wèn)題。17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場(chǎng)等概念，以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律的奠定之后才逐步形成的。發(fā)展17世紀(jì)力學(xué)奠基人I.牛頓研究了在液體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。他對(duì)粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也提出了以下假設(shè)：即兩流體層間的摩阻應(yīng)力同此兩層的相對(duì)滑動(dòng)速度成正比而與兩層間的距離成反比（即牛頓粘性定律）之后，法國(guó)H.皮托發(fā)明了測(cè)量流速的皮托管；達(dá)朗貝爾對(duì)運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)工作，證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系；瑞士的L.歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無(wú)粘流體的運(yùn)動(dòng)；伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)，精心地安排了實(shí)驗(yàn)并加以分析，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系一伯努利方程。歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開(kāi)始了用微分方程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)定量研究的階段。從18世紀(jì)起，位勢(shì)流理論有了很大進(jìn)展，在水波、潮汐、渦旋運(yùn)動(dòng)、聲學(xué)等方面都闡明了很多規(guī)律。法國(guó)J.-L.拉格朗日對(duì)于無(wú)旋運(yùn)動(dòng)，德國(guó)H.von亥姆霍茲對(duì)于渦旋運(yùn)動(dòng)作了不少研究.上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無(wú)粘流體，所以這種理論闡明不了流體中粘性的效應(yīng)。理論基礎(chǔ)將粘性考慮在內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)方程則是法國(guó)C.-L.-M.-H.納維于1821年和英國(guó)G.G.斯托克斯于1845年分別建立的，后得名為納維-斯托克斯方程，它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。由于納維-斯托克斯方程是一組非線性的偏微分方程，用分析方法來(lái)研究流體運(yùn)動(dòng)遇到很大困難。為了簡(jiǎn)化方程，學(xué)者們采取了流體為不可壓縮和無(wú)粘性的假設(shè)卻得到違背事實(shí)的達(dá)朗伯佯謬一物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力等于零。因此，到19世紀(jì)末，雖然用分析法的流體動(dòng)力學(xué)取得很大進(jìn)展，但不易起到促進(jìn)生產(chǎn)的作用。與流體動(dòng)力學(xué)平行發(fā)展的是水力學(xué)（見(jiàn)液體動(dòng)力學(xué)）這是為了滿足生產(chǎn)和工程上的需要，從大量實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表達(dá)流動(dòng)參量之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)科學(xué)。使上述兩種途徑得到統(tǒng)一的是邊界層理論。它是由德國(guó)L.普朗特在1904年創(chuàng)立的。普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡(jiǎn)化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等各個(gè)角度，建立了邊界層理論，能實(shí)際計(jì)算簡(jiǎn)單情形下，邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時(shí)普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。飛機(jī)和空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問(wèn)題，這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初，以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學(xué)家，開(kāi)創(chuàng)了以無(wú)粘不可壓縮流體位勢(shì)流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論，闡明了機(jī)翼怎樣會(huì)受到舉力，從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空。機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識(shí)無(wú)粘流體的理論，肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。機(jī)翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的一次重大進(jìn)展，它使無(wú)粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來(lái)。隨著汽輪機(jī)的完善和飛機(jī)飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴(kuò)展了從19世紀(jì)就開(kāi)始的，對(duì)空氣密度變化效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，為高速飛行提供了理論指導(dǎo)。20世紀(jì)40年代以后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，飛行器速度超過(guò)聲速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了航天飛行，使氣體高速流動(dòng)的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動(dòng)力學(xué)、物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科。分支和交叉學(xué)科的形成從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)開(kāi)始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透，形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科，如物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)等；原來(lái)基本上只是定性地描述的問(wèn)題，逐步得到定量的研究，生物流變學(xué)就是一個(gè)例子。以這些理論為基礎(chǔ)，20世紀(jì)40年代，關(guān)于炸藥或天然氣等介質(zhì)中發(fā)生的爆轟波又形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播，發(fā)展了爆炸波理論。此后，流體力學(xué)又發(fā)展了許多分支，如高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、超音速空氣動(dòng)力學(xué)、稀薄空氣動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、兩相（氣液或氣固）流等等。這些巨大進(jìn)展是和采用各種數(shù)學(xué)分析方法和建立大型、精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等研究手段分不開(kāi)的。從50年代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使原來(lái)用分析方法難以進(jìn)行研究的課題，可以用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行，出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科。與此同時(shí)，由于民用和軍用生產(chǎn)的需要，液體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科也有很大進(jìn)展。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(jì)算彈性力學(xué)問(wèn)