流体力学的发展经历了四个阶段:古代流体力学阶段、经典流体力学、近代流体力学和现代流体力学, 所涉及的领域包括流体动力学理论、实验流体力学、计算流体力学、湍流及稳定性、空气动力学、环境流体力学、多相流体力学、生物流体力学、磁流体力学、微纳米尺度流体动力学等.
1:古代流体力学阶段(前至17 世纪中叶)。
阿基米德(古希腊哲学家、数学家、物理学家):提出浮力定理,奠基流体静力学。
伽利略(Galileo,1564-1642)在流体静力学中应用了虚位移原理,并首先提出,运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高而增大。
托里析利(E.Torricelli,1608-1647)论证了孔口出流的基本规律。
帕斯卡(B.Pascal,1623-1662)提出了密闭流体能传递压强的原理--帕斯卡原理。
2:经典流体力学阶段(17 世纪中叶至 19 世纪末)始于力、速度、加速度、流场等经典力学概念的建立以及质量、动量、能量三大守恒定律的诞生。Kelvin 勋爵 (William Thomson) 评价这一时期的流体力学是“所有物理科学的根本, 并且具有首屈一指的数学之美”。
牛顿(英国伟大的物理学家):于1687年出版了《自然哲学的数学原理》,在其中,他研究了物体在流体中的运动,建立了流体内摩擦定律,为粘性流体力学初奠定了理论基础。
伯努利(瑞士数学家):1738年提出了“伯努利原理”。这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前,水力学所采用的基本原理,其实质是经典力学中的功能原理推应用于流体。其最为著名的推论为:等高流动时,流速大,压力就小。
欧拉: 1752 年, 欧拉提出理想流体概念, 并基于连续介质 (流体微团) 假设和牛顿第二定律给出了描述理想流体运动的基本方程---欧拉方程. 这是第一个将微分方程应用到流体力学领域的方程, 同时也奠定了流体力学流场描述的标准形式。与牛顿黏性定律、伯努利原理一起构成了经典流体动力学大厦的 3 块基石。
纳维(法国工程师、黏性流体力学创始人之一):基于分子机制的摩擦在欧拉方程的基础上加入一个额外项, 建立了黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程。
泊肃叶 (法国生理学家):提出了泊肃叶公式。
弗劳德 (英国船舶设计师):提出了船模试验的相似准则数--弗劳德数,建立了现代船模试验技术的基础。在惯性力和重力起重要作用的流动中,欲使两几何相似的物体满足动力相似条件,必须保证模型和实物的弗劳德数相等。
斯托克斯(黏性流体力学的创始人之一): 在柯西 (1828)、泊松(1829)等对黏性机制进行了研究,1845 年, 剑桥学者斯托克斯以更合理严谨的方式导出了黏性流体运动方程, 开启了黏性流体运动理论.这组方程就是沿用至今的纳维−斯托克斯方程 (简称 N-S 方程)。N-S 方程一经建立便被公认为是黏性流体运动理论的第一原理, 它与描述电磁场的麦克斯韦尔方程、弹性介质的柯西方程一同成为 19 世纪三大最著名的偏微分方程 (组), 是当时数学、物理、力学理论研究的前沿课题。
麦克斯韦尔(英国物理学家):提出了麦克斯韦–玻耳兹曼气体分子运动论; 黏滞系数公式; 向量场旋度。
波尔兹曼(奥地利物理学家):提出非平衡统计理论,是从微观角度计算物体粘性、扩散系统等宏观物质特性的基础。
瑞利 (英国物理学家):提出流体力学中的瑞利数,是与浮力驱动对流(也称为自由对流或自然对流)相关的无量纲数。当某种流体的瑞利数低于临界值时,热量传递的主要形式是热传导;当瑞利数超过临界值时热量传递的主要形式是对流。
除了黏性流体力学的发展, 19 世纪流体力学的主要进展还包括非线性波动、旋涡运动和流动不稳定性方面的研究。
3:近代流体力学 (19 世纪末至 20 世纪中叶)
这一时期实验技术手段有了巨大的进步, 诞生了风洞、水槽实验以及热线等实验装置和测量仪器, 因此流体力学的发展呈现出鲜明的理论与实验相互促进的特点。近代流体力学的主要研究对象是湍流和空气动力学。结合数学推导建立模型并将其应用于解释或揭示新现象及其规律, 是这一时期的流体力学研究的风格。
雷诺 (英国力学家、物理学家、工程师) :首次实验展示了通过圆管内水流实验向人们展示了管道中黏性流体从平滑流线型流动 (层流) 向不规则带旋涡的流动 (湍流) 的过渡。还引入了表征流动中流体惯性力和黏性力之比的一个无量纲数, 即雷诺数, 作为判别两种流态的标准。 开启了长达一个多世纪湍流研究的序幕。发现流动的相似律:对于几何条件相似的各个流动。即使它们的尺寸、速度、流体不同,只要雷诺数相同,则这些流动是动力相似的。
路德维希·普朗特 (德国流体力学家):提出了边界层理论,把理论和实验结合起来,被认为是空气动力学之父和近代流体力学奠基人。
通过边界层概念,将整个流动分成两部分来处理, 即“满足壁面附近黏附条件的黏性流动解和远离壁面处理想流动解”. 边界层理论是突破性的, 沿着这一思路, 达朗贝尔悖论从实际应用的角度上得到了解决。 同时, 在边界层理论框架下, 无黏流的理论找到了应用范围, 而黏性计算限制在很薄的边界层内, 使得 N-S 方程得以大大的简化, 很多实际问题能够得到解答, 黏性理论也得到了一条新的发展道路.
边界层理论适用于匹配渐近展开推导近似解, 为流体力学中物面摩擦阻力、热传导、流动分离的计算奠定了基础, 由此开创的奇异摄动理论也是 20 世纪应用数学的重要成就之一。
普朗特仿照气体分子运动论提出混合长度理论, 化解了未知的雷诺应力, 使雷诺方程封闭。
泰勒(剑桥大学数学、力学家):提出利用相关矩和谱分析等统计方法处理湍流问题的模式奠定了湍流统计理论发展的基础。
冯·卡门(航天工程学家,匈牙利犹太人,1936年入美国籍):钝体阻力理论、亚声速和跨声速流空气动力学、超声速流细长体理论等的建立者。开创了数学和基础科学在航空航天和其他技术领域的应用。中国著名科学家钱伟长、钱学森(博士后)、郭永怀都是他的弟子。
周培源(著名流体力学家、理论物理学家):引进了湍流脉动的二阶和三阶矩方程, 首先得到了相关函数的微分方程, 为现代湍流高阶矩模式理论奠定了基础。
4:现代流体力学 ( 20 世纪中叶至今)
这一时期流体力学发展形成了风格独特、特色鲜明的学派, 包括
德国的普朗特为代表的“哥廷根学派”、英国的泰勒为代表的“剑桥学派”、前苏联的柯尔莫哥洛夫为代表的“莫斯科学派”以及美国的冯·卡门为代表的“加州理工学派”. 其中“哥廷根学派”的研究受到当时德国工业需求影响, 关注工业、工程应用中的流体力学问题, 提出了混合长度模式, 建立了边界层理论,将理论与航空需求相结合创立了空气动力学; “剑桥学派”的研究风格是通过小型室内实验了解机理, 挖掘物理本质, 再用应用数学方法求解问题, 研究对象更侧重于自然界中的湍流 (如大气、海洋) 问题; “莫斯科学派”的特点是将纯数学领域的工作拓展到实际应用中; 而冯·卡门离开哥廷根加入美国加州理工大学后, 沿袭了应用力学研究范式, 以航空航天工程中的力学问题为对象, 将现代力学中的数学理论和工程实际紧密结合, 奠定了现代力学的基本方向, 形成了“加州理工学派”。
流体力学的主要特点是物理、数学、工程科学的紧密结合。密切联系生产实践、科学实验所面临的关键问题、并发挥至关重要的作用;由流体力学中发现的规律又逐渐渗透到其他科学领域并最终形成系统的理论。
来自:扫地僧说科学返回搜狐,查看更多