工程流体力学【新】
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流体力学发展简史

 

流体力学作为经典力学的一个重要分支,其发展与数学、力学的发展密不可分。它同样是人类在长期 与自然 灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律,逐渐发展形成的,是人类集体智慧的结晶。

人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。在我国水力事业的历史十分悠久。
    4000多年前的 大禹治水 ,说明我国古代已有大规模的治河工程。

    秦代,在公元前256-210年间便修建了 都江堰 郑国渠 灵渠 三大水利工程,特别是李冰父子领导修建的都江堰,既有利于岷江洪水的疏排,又能常年用于灌溉农田,并总结出"深淘滩,低作堰""遇弯截角,逢正抽心"的治水原则。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。

    西汉武帝(公元前156-87)时期,为引洛水灌溉农田,在黄土高原上修建了 龙首渠 ,创造性地采用了井渠法,即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞,有效地防止了黄土的塌方。

    在古代,以水为动力的简单机械也有了长足的发展,例如用水轮提水,或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时(公元37年)曾创造 水排 (水力鼓风机),利用水力,通过传动机械,使皮制鼓风囊连续开合,将空气送入冶金炉,较西欧约早了一千一百年。

    古代的 铜壶滴漏 (铜壶刻漏)--计时工具,就是利用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。说明当时对孔口出流已有相当的认识。

    北宋(960-1126)时期,在运河上修建的 真州船闸 与十四世纪末荷兰的同类船闸相比,约早三百多年。

    明朝的水利家潘季顺(1521-1595)提出了"筑堤防溢,建坝减水,以堤束水,以水攻沙""借清刷黄" 治黄原则 ,并著有《两河管见》、《两河经略》和《河防一揽》。

    清朝雍正年间,何梦瑶在《算迪》一书中提出 流量 等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。

欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者 阿基米德Archimedes,公元前287212),在公元前250年发表学术论文《论浮体》,第一个阐明了相对密度的概念,发现了物体在流体中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。
    著名物理学家和艺术家列 奥纳德..芬奇 Leonardo.da.Vinci,14521519)设计建造了一小型水渠,系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。

    斯蒂文 S.Stevin,1548-1620)将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。

    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。

    牛顿
I.Newton16421727)于1687年出版了《自然哲学的数学原理》。研究了物体在阻尼介质中的运动,建立了流体内摩擦定律,为粘性流体力学初步奠定了理论基础,并讨论了波浪运动等问题。

    伯努利
D.Bernoulli17001782)在1738年出版的名著《流体动力学》中,建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系──伯努利方程。在此历史阶段,诸学者的工作奠定了流体静力学的基础,促进了流体动力学的发展。

    欧拉
L.Euler17071783)是经典流体力学的奠基人,1755年发表《流体运动的一般原理》,提出了流体的连续介质模型,建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程,给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念,并论证了速度势应当满足的运动条件和方程。

    达朗伯
J.le R.d'Alembert,171717831744年提出了达朗伯疑题(又称达朗伯佯谬),即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。

    拉格朗日 
J.-L.Lagrange,17361813)提出了新的流体动力学微分方程,使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在,并提出了流函数的概念,为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。

    弗劳德 W.Froude1810-1879)对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献,他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。

    亥姆霍兹 H.von Helmholtz,1821-1894)和 基尔霍夫 G.R.Kirchhoff,1824-1887)对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究,提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。

斯托克斯C.-L.-M.-H.Navier)首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。 斯托克斯G.G.Stokes)严格地导出了这些方程,并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时,便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。
    著名的学者 谢才A.de Chézy)在1755年便总结出明渠均匀流公式--谢才公式,一直沿用至今。

    雷诺
O.Reynolds1842-19121883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态──层流和紊流的客观存在,找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数──雷诺数,以及判别层流和紊流的临界雷诺数,为流动阻力的研究奠定了基础。

    瑞利
L.J.W.Reyleigh1842-1919)在相似原理的基础上,提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法--瑞利法。

    库塔M.W.Kutta186719441902年就曾提出过绕流物体上的升力理论,但没有在通行的刊物上发表。

    普朗特
L.Prandtl18751953)建立了边界层理论,解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层,提出混合长度理论。1918-1919年间,论述了大展弦比的有限翼展机翼理论,对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。

    儒科夫斯基(Н.Е.Жуковский,18471921)从1906年起,发表了《论依附涡流》等论文,找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系,建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果,对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献,为近代高效能飞机设计奠定了基础。

    卡门
T.von Kármán1881-1963)在1911-1912年连续发表的论文中,提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论,人们称这种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中,提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后,在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。

    布拉休斯 H.Blasius)在1913年发表的论文中,提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。

    伯金汉 E.Buckingham)在1914年发表的《在物理的相似系统中量纲方程应用的说明》论文中,提出了著名的π定理,进一步完善了量纲分析法。

    尼古拉兹(J.Nikuradze)在1933年发表的论文中,公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果--尼古拉兹曲线,据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。

    科勒布茹克 C.F.Colebrook)在1939年发表的论文中,提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。

    莫迪 L.F.Moody)在1944年发表的论文中,给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图--莫迪图。至此,有压管流的水力计算已渐趋成熟。

    我国科学家的杰出代表 钱学森Qian Xuesen)早在1938年发表的论文中,便提出了平板可压缩层流边界层的解法--卡门-钱学森解法。他在空气动力学、航空工程、喷气推进、工程控制论等技术科学领域做出过许多开创性的贡献。

    吴仲华 Wu Zhonghua)在1952年发表的《在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论》和在1975年发表的《使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法》两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论,至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。

    周培源
Zhou Peiyuan)多年从事紊流统计理论的研究,取得了不少成果,1975年发表在《中国科学》上的《均匀各向同性湍流的涡旋结构的统计理论》便是其中之一。

20世纪中业以来,大工业的形成,高新技术工业的出现和发展,特别是电子计算机的出现、发展和广泛应用,大大地推动了科学技术的发展。由于工业生产和尖端技术的发展需要,促使流体力学和其他学科相互浸透,形成了许多边缘学科,使这一古老的学科发展成包括多个学科分支的全新的学科体系,焕发出强盛的生机和活力。这一全新的学科体系,目前已包括:(普通)流体力学,粘性流体力学,流变学,气体动力学,稀薄气体动力学,水动力学,渗流力学,非牛顿流体力学,多相流体力学,磁流体力学,化学流体力学,生物流体力学,地球流体力学,计算流体力学等。