力 學(xué) 概 述（五）

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)的規(guī)律。 流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律，常常還要用到熱力學(xué)知識(shí)，有時(shí)還用到宏觀電動(dòng)力學(xué)的基本定律、本構(gòu)方程和物理學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。
1738年伯努利出版他的專著時(shí)，首先采用了水動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞并作為書名；1880年前后出現(xiàn)了空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞；1935年以后，人們概括了這兩方面的知識(shí)，建立了統(tǒng)一的體系，統(tǒng)稱為流體力學(xué)。
除水和空氣以外，流體還指作為汽輪機(jī)工作介質(zhì)的水蒸氣、潤(rùn)滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高壓作用下的金屬和燃燒后產(chǎn)生成分復(fù)雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等。
氣象、水利的研究，船舶、飛行器、葉輪機(jī)械和核電站的設(shè)計(jì)及其運(yùn)行，可燃?xì)怏w或炸藥的爆炸，以及天體物理的若干問題等等，都廣泛地用到流體力學(xué)知識(shí)。許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所關(guān)心的問題既受流體力學(xué)的指導(dǎo)，同時(shí)也促進(jìn)了它不斷地發(fā)展。1950年后，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展又給予流體力學(xué)以極大的推動(dòng)。
流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史
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)展起來的。古時(shí)中國(guó)有大禹治水疏通江河的傳說；秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動(dòng)人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用；大約與此同時(shí)，古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等等。
對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個(gè)貢獻(xiàn)的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(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)沒有重大發(fā)展。
直到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、鳥的飛翔原理等問題；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。
17世紀(jì)，力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運(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。他針對(duì)粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是，牛頓還沒有建立起流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實(shí)際情形還有較大的差別。
之后，法國(guó)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——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)拉格朗日對(duì)于無旋運(yùn)動(dòng)，德國(guó)赫爾姆霍茲對(duì)于渦旋運(yùn)動(dòng)作了不少研究……。在上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體。這種理論當(dāng)然闡明不了流體中粘性的效應(yīng)。
19世紀(jì)，工程師們?yōu)榱私鉀Q許多工程問題，尤其是要解決帶有粘性影響的問題。于是他們部分地運(yùn)用流體力學(xué)，部分地采用歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行研究，這就形成了水力學(xué)，至今它仍與流體力學(xué)并行地發(fā)展。1822年，納維建立了粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基礎(chǔ)導(dǎo)出了這個(gè)方程，并將其所涉及的宏觀力學(xué)基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡(jiǎn)稱N-S方程)，它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時(shí)的特例。
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。
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，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學(xué)家，開創(chuàng)了以無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，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來。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。
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的。從50年代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使原來用分析方法難以進(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)問題的有限元法。經(jīng)過十多年的發(fā)展，有限元分析這項(xiàng)新的計(jì)算方法又開始在流體力學(xué)中應(yīng)用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復(fù)雜問題中，優(yōu)越性更加顯著。近年來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。
從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)開始了流體力學(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；原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學(xué)就是一個(gè)例子。
流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容
流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)中隨時(shí)隨地都可遇到流體，所以流體力學(xué)是與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)的。大氣和水是最常見的兩種流體，大氣包圍著整個(gè)地球，地球表面的70%是水面。大氣運(yùn)動(dòng)、海水運(yùn)動(dòng)(包括波浪、潮汐、中尺度渦旋、環(huán)流等)乃至地球深處熔漿的流動(dòng)都是流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容。
20世紀(jì)初，世界上第一架飛機(jī)出現(xiàn)以后，飛機(jī)和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)50年代開始的航天飛行，使人類的活動(dòng)范圍擴(kuò)展到其他星球和銀河系。航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展是同流體力學(xué)的分支學(xué)科——空氣動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展緊密相連的。這些學(xué)科是流體力學(xué)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域。
石油和天然氣的開采，地下水的開發(fā)利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，這是流體力學(xué)分支之一——滲流力學(xué)研究的主要對(duì)象。滲流力學(xué)還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過濾，燃燒室的冷卻等技術(shù)問題。
燃燒離不開氣體，這是有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問題，是物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過程，涉及氣體動(dòng)力學(xué)，從而形成了爆炸力學(xué)。