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流体力学发展

时间:2014-09-22 14:37来源:未知 作者:admin 点击:
流体力学的发展,一方面以湍流机制为核心的若干基本问题将继续受到重视; 另一方面为促进国家建设和社会进步,主要力量将会集中于研究与解决具有明确应用目标的应用基础课题。

作为物理的一部分,流体力学在很早以前就得到发展。在19世纪,流体力学沿着两个方面发展,一方面,将流体视为无粘性的,有一大批有名的力学数学家从事理论研究,对数学物理方法和复变函数的发展,起了相当重要的作用; 另一方面,由于灌溉、给排水、造船,及各种工业中管道流体输运的需要,使得工程流体力学,特别是水力学得到高度发展。将二者统一起来的关键是本世纪初边界层理论的提出,其中心思想是在大部分区域,因流体粘性起的作用很小,流体确实可以看成是无粘的。这样,很多理想流体力学理论就有了应用的地方。但在邻近物体表面附近的一薄层中,粘性起着重要的作用而不能忽略。边界层理论则提供了一个将这两个区域结合起来的理论框架。边界层这样一个现在看来是显而易见的现象,是德国的普朗特在水槽中直接观察到的。这虽也是很多人可以观察到的,却未引起重视,普朗特的重大贡献就在于他提出了处理这种把两个物理机制不同的区域结合起来的理论方法。这一理论提出后,在经过约10年的时间,奠定了近代流体力学的基础。

  有意思的是在流体力学中发现的这种边界层现象,很快地在别的科学领域得到了响应,因为这里面包含了更广泛和深刻的内容。由此又大大促进了应用数学的发展,从而形成了现在在很多科学中广泛应用的“渐近匹配法”。

  在流体力学中首先发现的现象及为此提出的理论,在一段时间以后被发现在其他学科领域中同样存在和有用,这样的例子并不是唯一的一个。例如,100年前在水波中观察到的孤立波及其理论到本世纪60年代被发现在声波、光波中同样存在和有用,从而迅速形成了系统的理论。目前具有重要应用前景的光通讯,正是建立在孤立子(孤立波)理论基础上的。

  又如在上个世纪发现的流体从下部加热从而引起对流并能形成有规则图形的现象,以及本世纪20年代发现的两旋转圆筒间所充满的流体在一定条件下能形成有规则的二次流的现象,成了近代在各个学科领域中普遍关注的分岔现象及理论的经典例子。而且也是最近逐步形成的图形(pattern)动力学的典型例子及实验对象。

  以上所举的几个例子,足以说明流体力学的研究在近代科学发展中所起的作用,这种现象有其深刻的背景。首先,流体运动是宏观现象,最便于人类观察和感知。而流体力学从本质上讲是非线性的,包含着极为丰富而至今还未被人认识和理解的现象及规律。所以有理由相信,这种由流体力学中发现的规律逐渐渗透到其他科学领域并最终形成具有普遍意义的理论的科学发展道路,今后仍将在整个自然科学的发展中继续起着重要作用。

  流体力学又是很多工业的基础。最突出的例子是航空航天工业。可以毫不夸大地说,没有流体力学的发展,就没有今天的航空航天技术。当然,航空航天工业的需要,也是流体力学,特别是空气动力学发展的最重要的推动力。就以亚音速的民航机为例,如果坐在一架波音747飞机上,想一下这种有400多人坐在其中,总重量超过300吨,总的长宽有大半个足球场大的飞机,竟是由比鸿毛还轻的空气支托着,这是任何人都不能不惊叹流体力学的成就。更不用说今后会将出现更大、飞行速度更快的飞机。

  同样,也不可能想象,没有流体力学的发展,能设计制造排水量超过50万吨的船舶,能建造长江三峡水利工程这种超大规模工程,能设计90万kW汽轮机组,能建造每台价值超过10亿美元的海上采油平台,能进行气候的中长期预报,等等。甚至天文上观测到的一些宇宙现象,如星系螺旋结构形成的机理,也通过流体力学中形成的理论得到了解释。近年来从流体力学的角度对鱼类游动原理的研究,发现了采用只是摆动尾部(指身体大部不动)来产生推进力的鱼类,最好的尾型应该是细长的月牙型。这正是经过几亿年进化而形成的鲨鱼和鲸鱼的尾型,而这些鱼类的游动能力在鱼类中是最好的。这就为生物学进化方面提供了说明,引起了生物学家的很大兴趣。

  所以很明显,流体力学研究,既对整个科学的发展起了重要的作用,又对很多与国计民生有关的工业和工程,起着不可缺少的作用。它既有基础学科的性质,又有很强的应用性,是工程科学或技术科学的重要组成部分。今后流体力学的发展仍应二者并重。

 

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