(原创)流体力学发展历程及展望-2013版

流体力学王常斌2013年11月发展历程及展望流体力学发展史概述流体力学的发展简史流体力学的研究内容流体力学的研究方法流体力学的展望计算流体力学的发展及应用概述流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动一门学科，是力学的一个分支。流体力学静力学动力学宏观平衡运动规律流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动一门学科，是力学的一个分支。概述学科分类与代码130.10基础力学130.35爆炸力学130.15固体力学130.40物理力学130.20振动与波130.45统计力学130.25流体力学130.50应用力学130.30流变学一级学科130力学二级学科130.25流体力学概述130.2511理论流体力学130.2544等离子体动力学130.2514水动力学130.2547电磁流体力学130.2517气体动力学130.2551非牛顿流体力学130.2521空气动力学130.2554流体机械流体力学130.2524悬浮体力学130.2557旋转与分层流体力学130.2527湍流理论130.2561辐射流体力学130.2531粘性流体力学130.2564计算流体力学130.2534多相流体力学130.2567实验流体力学130.2537渗流力学130.2571环境流体力学130.2541物理—化学流体力学130.2599流体力学其他学科三级学科：130.2531粘性流体力学流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。概述1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。概述除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。概述流体力学发展史概述流体力学的发展简史流体力学的研究内容流体力学的研究方法流体力学的展望计算流体力学的发展及应用150016001700180019002000-2000-1500-1000-5000500100015002000流体力学和其他自然科学一样，是随着生产实践而发展起来的。流体力学的发展简史第一阶段（16世纪以前）萌芽阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后—18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段第三阶段（18世纪中叶—19世纪末）两方向发展—欧拉(理论)、伯努利(实验)第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展流体力学的发展简史流体力学的发展可大致分为四个阶段●公元前2286年－公元前2278年大禹治水—疏壅导滞（洪水归于河）（传说）●公元前300年左右（秦帝国）都江堰、郑国渠、灵渠●公元584年－公元610年隋朝南北大运河、船闸应用；埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业●系统研究古希腊哲学家阿基米德《论浮体》公元前250年）奠定了流体静力学的基础第一阶段（16世纪以前）萌芽阶段流体力学的发展简史【大禹治水】相传约4000多年前，黄河流域洪水为患，尧命鲧负责组织治水工作。鲧采取“水来土挡”的策略治水。鲧治水失败后由其独子禹主持治水大任。禹通过考察，禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高处就凿通，低处就疏导”的治水思想。根据轻重缓急，定了一个治的顺序，先从首都附近地区开始，再扩展到其它各地。据说禹治水到涂山国，即他家所在地，但他三过家门，都因治水忙碌，无法进家门看看。他的妻子到工地看他，也被他送回。禹治水13年，耗尽心血与体力，终于完成了这一件名垂青史的大业。流体力学的发展简史流体力学的发展简史位于四川省都江堰市城西，是中国古代建设并使用至今的大型水利工程，被誉为“世界水利文化的鼻祖”，是四川著名的旅游胜地。通常认为，都江堰水利工程是由秦国蜀郡太守李冰及其子率众于公元前256年左右修建的，是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程，属全国重点文物保护单位。也是四川的一大景点。流体力学的发展简史【都江堰】公元前246年（秦始皇元年）由韩国水工郑国主持兴建，约十年后完工。是最早在关中建设大型水利工程的，战国末年秦国穿凿，位于今天的泾阳县西北25公里的泾河北岸。它西引泾水东注洛水，长达300余里（灌溉面积号称4万顷），使关中干旱平原成为沃野良田，粮食产量大增，郑国渠不但未能起到“疲秦”的初衷，反而极大增强了秦国的国力。直接支持了秦国统一六国的战争。。流体力学的发展简史【郑国渠】流体力学的发展简史流体力学的发展简史灵渠建成于秦始皇33年（公元前214年），全长37.4公里，是世界上最古老的运河之一。灵渠由铧嘴、大小天平、南渠、北渠、泄水天平和陡门组成，设计科学，建筑精巧，铧嘴将湘江水三七分流，其中三分水向南流入漓江，七分水向北汇入湘江，沟通了长江、珠江两大水系，成为秦代以来中原与岭南的交通枢纽，为秦始皇统一中国起了重要作用。流体力学的发展简史【灵渠】流体力学的发展简史流体力学的发展简史灵渠渠首处用拦河坝壅高湘江水位，将其一股（南渠）通过穿越分水岭的人工渠道引入漓江上源支流，并对天然河道进行扩挖和整治后，入漓江；将另一股（北渠）另开新渠于湘江右岸入湘江。流体力学的发展简史流体力学的发展简史古代罗马人在城市供水工程方面的成就突出。从公元前312－公元226年的500余年中，罗马城先后修建了11条大型输水道。供水系统的水源是罗马城周围的河流、湖泊和泉水。有些水源距离较远，如公元前144年建成的梅西亚输水道长达62km。水先贮存在城市周围200多个大大小小的水库和池塘中，然后通过输水道从不同的高度进入罗马城，以满足城市用水需要。除供给必要的生活用水外，还要为公共浴室和公共喷泉供水。输水道除常规渠道外，许多地方还采用了虹吸管、隧洞和连拱支撑的石质渡槽。古罗马供水（watersupplyinancientRome）流体力学的发展简史通常认为，流体力学起源于阿基米德（Archimedes）在公元前250年对浮力的研究。第一阶段（16世纪以前）萌芽阶段阿基米德（公元前287—公元前212年）古希腊哲学家、数学家、物理学家。出生于西西里岛的叙拉古。阿基米德到过亚历山大里亚，据说他住在亚历山大里亚时期发明了阿基米德式螺旋抽水机。后来阿基米德成为兼数学家与力学家的伟大学者，并且享有“力学之父”的美称。阿基米德流传于世的数学著作有10余种，多为希腊文手稿。流体力学的发展简史●1586年斯蒂芬—水静力学原理●1612年伽利略—物体沉浮的基本原理●1650年帕斯卡—“帕斯卡原理”●1686年牛顿—牛顿内摩擦定律●1738年伯努利—理想流体的运动方程即伯努利方程●1775年欧拉—理想流体的运动方程（欧拉运动微分方程）第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段流体力学的发展简史流体力学的初步形成是在17世纪，帕斯卡（B.Pascal）于1653年发现了静止液体的压强传递定律，即帕斯卡原理。帕斯卡(1623-1662)法国数学家、物理学家、近代概率论的奠基者。他提出一个关于液体压力的定律，后人称为帕斯卡定律。他建立的直觉主义原则对于后来一些哲学家，如卢梭和伯格森等都有影响。流体力学的发展简史第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段1687年牛顿（I.Newton）分析了运动平板在普通流体中所受的流体阻力，提出了牛顿内摩擦定律。艾萨克•牛顿爵士（1642—1727）英国物理学家、数学家、科学家、思想家和哲学家，同时是英国当时炼金术热衷者。他在1687年7月5日发表的《自然哲学的数学原理》里提出的万有引力定律以及他的牛顿运动定律是经典力学。牛顿还和莱布尼茨各自独立地发明了微积分。他被公认为是人类历史上最伟大，最有影响力的科学家之一。第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段流体力学的发展简史1738年伯努利（D.Bernoulli）对管道流动进行了大量的观察和测量，提出了伯努利定理。丹尼尔·伯努利（1700～1782)瑞士物理学家、数学家、医学家。伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。流体力学的发展简史第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段1755年欧拉（I.Euler），采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动。莱昂哈德·欧拉（1707～1783）是瑞士数学家和物理学家。他被一些数学史学者称为历史上最伟大的两位数学家之一（另一是卡尔·弗里德里克·高斯）。欧拉是第一个使用“函数”一词来描述包含各种参数的表达式的人，例如：y=F(x)（函数的定义由莱布尼兹在1694年给出）。他是把微积分应用于物理学的先驱者之一。流体力学的发展简史第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段第三阶段（18世纪中叶—19世纪末）两个方向发展—欧拉（理论）、伯努利（实验）▲工程技术快速发展，提出很多经验公式▲理论●1769年谢才—谢才公式（计算流速、流量）●1895年曼宁—曼宁公式（计算谢才系数）●1732年比托—比托管（测流速）●1797年文丘里—文丘里管（测流量）●1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）流体力学的发展简史谢才（A-Chezyap，1718－1798）法国水力工程师。参与了巴黎学多桥梁与街道的施工和验收，并对法国的运河建设，尤其是连接塞纳河与罗纳河流域的勃垠第运河进行了研究。vCRJ1769年，谢才总结大量明渠流实测资料提出的计算恒定均匀流的经验公式，一直就用至今。第三阶段（18世纪中叶—19世纪末）两个方向发展—欧拉（理论）、伯努利（实验）流体力学的发展简史皮托（Pitot,Henri1695—1771）法国数学家、水利工程师，发明了测量流速的皮托管。1724年被选入科学院。在任朗格多克的总工程师期间，对运河、桥梁及排水工程作了各种维修和建造工作。这方面的主要成就是为蒙彼利埃市建造下水道（1753-1786年）其中有一段长1000米为罗马式石拱建筑。第三阶段（18世纪中叶—19世纪末）两个方向发展—欧拉（理论）、伯努利（实验）流体力学的发展简史文丘里（GiovanniBattistaVenturi，1746—1822）意大利物理学家，1797年创造了量测管道流量的文丘里管。文丘里管：测量流体压差的一种装置。文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道。测出其入口截面和最小截面处的压力差，用伯努利定理即可求出流量。第三阶段（18世纪中叶—19世纪末）两个方向发展—欧拉（理论）、伯努利（实验）流体力学的发展简史1823年纳维（I.Navier）、1845年斯托克斯（B.Stokes）分别采用不同的方法建立了粘性流体运动的微分方程。从此流体力学得到了迅速发展。纳维（1785-1836）法国工程师和物理学家；建立了流体平衡和运动的基本方程。斯托克斯（1819-1903）英国力学家、数学家；建立粘性流体运动的基本方程组。第三阶段（18世纪中叶—19世纪末）两个方向发展—欧拉（理论）、伯努利（实验）流体力学的发展简史第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展◆理论分析与试验研究相结合◆量纲分析和相似性原理起重要作用◆流