流體力學(xué)發(fā)展史

流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)作為經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)重要分支，其發(fā)展與數(shù)學(xué)、力學(xué)的發(fā)展密不可分。它同樣是人類在長(zhǎng)期與自然災(zāi)害作斗爭(zhēng)的過程中逐步認(rèn)識(shí)和掌握自然規(guī)律，逐漸發(fā)展形成的，是人類集體智慧的結(jié)晶。人類最早對(duì)流體力學(xué)的認(rèn)識(shí)是從治水、灌溉、航行等方面開始的。在我國水力事業(yè)的歷史十分悠久。4000多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規(guī)模的治河工程。秦代，在公元前256-前210年間便修建了都江堰、鄭國渠、靈渠三大水利工程，特別是李冰父子領(lǐng)導(dǎo)修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉農(nóng)田，并總結(jié)出"深淘灘，低作堰"、"遇彎截角，逢正抽心"的治水原則。說明當(dāng)時(shí)對(duì)明槽水流和堰流流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)水平。西漢武帝（公元前156-前87）時(shí)期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長(zhǎng)十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。在古代，以水為動(dòng)力的簡(jiǎn)單機(jī)械也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)去碾米、磨面等。東漢杜詩任南陽太守時(shí)（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風(fēng)機(jī)），利用水力，通過傳動(dòng)機(jī)械，使皮制鼓風(fēng)囊連續(xù)開合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。古代的銅壺滴漏（銅壺刻漏）--計(jì)時(shí)工具，就是利用孔口出流使銅壺的水位變化來計(jì)算時(shí)間的。說明當(dāng)時(shí)對(duì)孔口出流已有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)。北宋（960-1126）時(shí)期，在運(yùn)河上修建的真州船閘與十四世紀(jì)末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。明朝的水利家潘季順（1521-1595）提出了"筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙"和"借清刷黃"的治黃原則，并著有《兩河管見》、《兩河經(jīng)略》和《河防一攬》。清朝雍正年間，何夢(mèng)瑤在《算迪》一書中提出流量等于過水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古希臘學(xué)者阿基米德(Archimedes,公元前287-212),在公元前250年發(fā)表學(xué)術(shù)論文《論浮體》，第一個(gè)闡明了相對(duì)密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理一阿基米德原理。著名物理學(xué)家和藝術(shù)家列奧納德.達(dá).芬奇(Leonardo.da.Vinci,1452—1519)設(shè)計(jì)建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流等問題。斯蒂文(S.Stevin,1548-1620)將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。伽利略(Galileo,1564-1642)在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛位移原理，并首先提出，運(yùn)動(dòng)物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度的增大和速度的提高而增大。托里析利(E.Torricelli,1608-1647)論證了孔口出流的基本規(guī)律。帕斯卡(B.Pascal,1623-1662)提出了密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的原理--帕斯卡原理。牛頓(I.Newton，1642—1727)于1687年出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。研究了物體在阻尼介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，建立了流體內(nèi)摩擦定律，為粘性流體力學(xué)初步奠定了理論基礎(chǔ)，并討論了波浪運(yùn)動(dòng)等問題。伯努利(D.Bernoulli，1700—1782)在1738年出版的名著《流體動(dòng)力學(xué)》中，建立了流體位勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系——伯努利方程。在此歷史階段，諸學(xué)者的工作奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。歐拉(L.Euler，1707—1783)是經(jīng)典流體力學(xué)的奠基人，1755年發(fā)表《流體運(yùn)動(dòng)的一般原理》，提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程，給出了不可壓縮理想流體運(yùn)動(dòng)的一般解析方法。他提出了研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種不同方法及速度勢(shì)的概念，并論證了速度勢(shì)應(yīng)當(dāng)滿足的運(yùn)動(dòng)條件和方程。達(dá)朗伯(J.leR.d'Alembert,1717—1783)1744年提出了達(dá)朗伯疑題(又稱達(dá)朗伯佯謬)，即在理想流體中運(yùn)動(dòng)的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了理想流體假定的局限性。拉格朗日(J.-L.Lagrange,1736—1813)提出了新的流體動(dòng)力學(xué)微分方程，使流體動(dòng)力學(xué)的解析方法有了進(jìn)一步發(fā)展。嚴(yán)格地論證了速度勢(shì)的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運(yùn)動(dòng)開辟了道路。弗勞德(W.Froude,1810-1879)對(duì)船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻(xiàn)，他提出了船模試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則數(shù)--弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。亥姆霍茲(H.vonHelmholtz,1821-1894)和基爾霍夫(G.R.Kirchhoff,1824-1887)對(duì)旋渦運(yùn)動(dòng)和分離流動(dòng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)成就。納維(C.-L.-M.-H.Navier)首先提出了不可壓縮粘性流體的運(yùn)動(dòng)微分方程組。斯托克斯(G.G.Stokes)嚴(yán)格地導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分解為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運(yùn)動(dòng)。后來引用時(shí)，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。著名的學(xué)者謝才(A.deChezy)在1755年便總結(jié)出明渠均勻流公式--謝才公式，一直沿用至今。雷諾(O.Reynolds，1842-1912)1883年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)一層流和紊流的客觀存在，找到了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動(dòng)規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)——雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動(dòng)阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。瑞利(L.J.W.Reyleigh，1842-1919)在相似原理的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)驗(yàn)研究的量綱分析法中的一種方法--瑞利法。庫塔(M.W.Kutta，1867-1944)1902年就曾提出過繞流物體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。普朗特(L.Prandtl，1875-1953)建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機(jī)制。以后又針對(duì)航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長(zhǎng)度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機(jī)翼理論，對(duì)現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。儒科夫斯基(H.E.水yKOBCKHW847—1921)從1906年起，發(fā)表了《論依附渦流》等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究都有重要貢獻(xiàn)，為近代高效能飛機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)?？ㄩT(T.vonKarman，1881-1963)在1911-1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾渦的排列為卡門渦街。在1930年的論文中，提出了計(jì)算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、火箭及噴氣技術(shù)等方面都有不少貢獻(xiàn)。布拉休斯(H.Blasius)在1913年發(fā)表的論文中，提出了計(jì)算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。伯金漢(E.Buckingham)在1914年發(fā)表的《在物理的相似系統(tǒng)中量綱方程應(yīng)用的說明》論文中，提出了著名的兀定理，進(jìn)一步完善了量綱分析法。尼古拉茲(J.Nikuradze)在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對(duì)砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果--尼古拉茲曲線，據(jù)此他還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應(yīng)有的系數(shù)?？评詹既憧?C.F.Colebrook)在1939年發(fā)表的論文中，提出了把紊流光滑管區(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計(jì)算公式。莫迪(L.F.Moody)在1944年發(fā)表的論文中，給出了他繪制的實(shí)用管道的當(dāng)量糙粒阻力系數(shù)圖--莫迪圖。至此，有壓管流的水力計(jì)算已漸趨成熟。我國科學(xué)家的杰出代表錢學(xué)森(QianXuesen)早在1938年發(fā)表的論文中，便提出了平板可壓縮層流邊界層的解法--卡門-錢學(xué)森解法。他在空氣動(dòng)力學(xué)、航空工程、噴氣推進(jìn)、工程控制論等技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域做出過許多開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。吳仲華(WuZhonghua)在1952年發(fā)表的《在軸流式、徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機(jī)械中的三元流普遍理論》和在1975年發(fā)表的《使用非正交曲線坐標(biāo)的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)的基本方程及其解法》兩篇論文中所建立的葉輪機(jī)械三元流理論，至今仍是國內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。周培源(ZhouPeiyuan)多年從事紊流統(tǒng)計(jì)理論的研究，取得了不少成果，1975年發(fā)表在《中國科學(xué)》上的《均勻各向同性湍流的渦旋結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)理論》便是其中之一。20世紀(jì)中業(yè)以來，大工業(yè)的形成，高新技術(shù)工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。由于工業(yè)生產(chǎn)和尖