流体力学和今天的科学技术

流体力学和今天的科学技术摘要流体力学是一门与我们生活息息相关的科学。古今中外，都有不少科学家对它进行了探索。在中国古代，探索主要以流体力学相关的工程为主。秦代就有了三大名渠——都江堰、郑国渠、灵渠，还有西汉的龙首渠。这些大渠设计独特精巧，不仅沟通了河道，而且对当时的军事、经济、文化发展都起到了促进作用。东汉杜诗发明的水排，创造性地利用水力推动皮箱鼓风冶铁，大大发展了当时的生产力，同样原理的机械比欧洲早了一千一百年。明朝的水利家潘济顺在所著《两河经略》中就提到了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”的治黄原则，给防洪提供了思路方法。相反与中国的实践为主，欧美国家的科学家们更偏向于关于流体力学理论的探索。最早进行相关探索的事古希腊学者阿基米德，他在公元前250就发表了学术论文《论浮体》，发现了物体在流体中收到浮力的基本原理——阿基米德原理。之后伽利略、托里切利、帕斯卡等人对物体沉浮、孔口出流、管渠水流方面做了一些研究。在群星璀璨的时期，牛顿在他出版的《自然哲学的数学原理》中建立了流体内摩擦定律，为粘性流体力学的发展奠定了基础。而后的欧拉、伯努利、拉格朗日等人的学术研究更是奠定了静力学的基础，为之后的学者研究开辟了道路。亥姆霍兹、斯托克斯、瑞利等人进一步完善了流体力学的阻力理论。之后的研究就偏向于应用方面，他们把流体力学理论应用于水泵、飞机、船只、火箭等的工程发展上。我国著名科学家钱学森就是空气动力学专家，被誉为中国的“导弹之父”。现代流体力学在许多地方都有其应用价值。比如矿井工程、土木工程、航空航天、城市中的暖通工程、车辆和液压工程。一．早期的流体力学十八世纪的流体力学发展中有几位对当时自然科学的发展贡献卓越的科学家，我们在课本中常常能看到他们的名字。接下来就介绍一下他们对流体力学及其他领域做出的贡献。1.1牛顿力学中的流体牛顿于1687年8月出版了轰动一时的《自然哲学的数学原理》，第一次用科学系统的方法解释了我们所生活的世界。其中阐述了牛顿力学中最重要的三大运动定律。第一定律是物体在不受外力或所受外力相互平衡的情况下，运动状态保持不变。这条也被称作惯性定律。第二定律是物体所受合外力和它的加速度成正比。当然这必须是在惯性系下才成立。第三定律是相互作用的两个力大小相等方向相反且作用在同一直线上。根据这三条运动定律，牛顿构建了自己的力学系统，在宏观低速且参考系为惯性系的条件下，适用范围很广。在书中，牛顿的另一大成就就是提出并定义了万有引力，并且在数学学上推导出了其公式。两物体之间的万有引力与其质量成正比，距离平方成反比。他把地上物体的力学和天体的力学统一到了一个经典的力学体系之中，为静力学的发展奠定了基础。除了三大运动定律和万有引力定律，牛顿还在《自然》一书中给出了粘性流体和剪应力的公式，即流体的粘性阻力和剪应率成正比。他在书中说：“流体部分之间由于缺乏润滑性而引起的阻力，如果其他都相同，与流体部分之间分离速度成比例。”从而，符合这一条件的流体我们就把他叫做牛顿流体。像水和空气就都是这类流体。但是非牛顿流体就不符合这个条件。1.2伯努利家族的贡献伯努利是一个神奇的家族，在这个大家庭中学术氛围浓厚，代代相传研究精神，连续出现过十几位科学家。在那个家庭里父子兄弟之间会很平等的讨论学术问题，有时也会为了一个问题争得面红耳赤。家族中成就最高的要数雅克比·伯努利、约翰第一·伯努利和丹尼尔第一·伯努利。雅克比的贡献主要在数学方面，他在概率论、微分方程、无穷级数、变分方法和解析几何方面都有很大建树。原来家族的意思是让他在大学修读神学，但是他发现自己兴趣在数学后，几乎无师自通数学。后来游历列国结实了许多有名望的科学家。我们接触到的他的数学成就就有“伯努利大数定理”、曲率半径公式等等。约翰第一是雅克比的弟弟，原来学的也不是数学而是医学，和哥哥一样，后来发现了自己对数学的兴趣，就开始钻研数学。他是一个多产的数学家，他的论文涉及领域广泛，从微积分到等周问题、微分方程；从悬链线问题到、测地线问题到最速降线、弦振动问题，还提出了洛必达法则和指数运算。他的成就大多我们都熟知。约翰另一大贡献就是除了把自己的儿子也培养成数学家外，还培养出了18世纪著名数学家欧拉！和流体力学相关的是丹尼尔第一·伯努利，接下来就说一下他的贡献。丹尼尔是上面说的约翰的儿子，和父亲一样，丹尼尔也是弃医从理。他的贡献主要集中在微分方程、数学物理这一块，可以说他是数学物理方程的奠基人。他是理论流体力学的创始人，提出了“伯努利定理”——在一个流体系统（如气流、水流）中，流速越快，流体产生的压力就越小。这条定理的内容中说明了流速增大时静压增大动压减小，流速减小时情况时相反。而流体的静压和动压总和保持不变。这条定理有着广泛的应用。比如：如果流管的横截面积沿流动方向缓变，则在工程应用中常常对流管的平均速度和平均压力应用伯努利定理。采用这样的近似处理再加上流管的连续性方程常常能够非常简单地得到一些有用的结果。除了应用外，由于伯努利定理是有限关系式，所以可以代替运动微分方程，所以它在流体力学理论研究上有很大意义。1.3欧拉和达朗贝尔欧拉是上面提到的约翰第一·伯努利的学生，是瑞士的数学家和自然科学家，18世纪最伟大的数学家。他毕业于巴塞尔大学，十六岁就获得硕士学位。他也是以为多产的数学家，平均每年要写八百多页的论文。他涉猎的领域很广，关心的问题从数学上的分析学、几何学、变分法、微分方程等等到工程应用上的建筑、航海、弹道问题……对于欧拉对科学发展做出的贡献，瑞士教育和国务秘书CherlesKleiber曾说：“没有欧拉的众多发现，我们将过着和现在完全不一样的生活。”法国数学家欧拉也说“读读欧拉，他是所有人的老师。”1911年数学界开始系统出版《欧拉全集》，平均每卷有五百多页，重四磅左右，而整套《欧拉全集》重约四百多磅！欧拉在流体力学上做出的贡献要数把牛顿运动第二定律应用到无粘性流体微团上，建立了流体运动方程——欧拉方程。这是无粘性流体力学上的一个基本方程，方程组中的各个方程分别代表质量守恒、动量守恒和能量守恒。达朗贝尔在1743年提出了达朗贝尔原理，它也是由牛顿第二定律推广而来，其内容是质点在受力运动的任何时刻，作用于质点的主动力、约束力和惯性力平衡。利用这个原理，可以吧动力系中的问题转化为静力系来解决。在提出这个原理之后，他就自己用来解决流体运动中的一些主要问题，包括有笛卡尔提出的行星运动的涡旋理论以及克莱罗的有关地球形状问题。1752年，他发表了“流体阻尼的一种新理论”第一次运用了微分方程的形式表示场，并且提出了达朗贝尔佯谬——物体在大范围的静止或匀速流动的不可压缩、无粘性流体中作等速运动时，它所受到的外力之和为零。达朗贝尔他在流体力学上的贡献和当代的欧拉、伯努利都是齐名的。二．流体力学飞跃的时期1823年纳维、1845年斯托克斯分别用不同的方法推导出了粘性流体运动的微分方程。从此之后流体力学就开始飞速发展。这一发展阶段的特征就是理论与实验研究相结合，并且流体力学开始与相关的邻近学科相互交叉渗透。2.1十九世纪末的雷诺英国物理学家雷诺毕生都致力于水力学和流体力学的研究，并做出了巨大贡献。雷诺在流体力学的最大贡献在于知道了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数——雷诺数。雷诺数是一个表征流体惯性力和粘性力的一个量纲为一的数。对于几何条件相似的各个流动，虽然尺寸、速度、流体不同，但是只要雷诺数相同，则这两个流通就是动力相似的。这样雷诺就是发现了流动的相似律。十九世纪中期，斯托克斯就已经认识到了这个数的重要性。之后，雷诺通过管道中平滑流线性型流动向不规则带旋涡的流动过渡的实验，阐明了这个比数的作用。在雷诺以后，分析有关的雷诺数成为研究流体流动特别是层流向湍流过渡的一个标准步骤。除此之外，雷诺还给出平面渠道中的阻力、提出轴承的润滑理论、研究河流中的波动和潮汐问题、阐明了波动中群速度概念、将许多单摆上端串联且均匀分布在一紧张水平弦线上以演示群速度、指出气流超声速地经管道最小截面时的压力等等。他引进湍流中有关应力概念，并从分子模型解释了剪胀的机理。可以说雷诺为流体力学的发展做出了毕生的贡献。2.2现代流体力学的形成现代意义上的流体力学形成于20世纪初，感谢无数前人做出的成果，才使得当时的科学家们能够越来越多得把流体力学应用到不同领域上，并在应用时不断推动其发展。2.2.1普朗特德国力学家普朗特是现代流体力学开创者之一，他在边界层理论，建立绕物体流动的小粘性边界层方程，以解决计算摩擦阻力、求解分离区和热交换等问题，奠定了现代流体力学的基础。1906年，他在德国建立了第一个风洞。我们都知道，风洞能人工产生和控制气流，用来模拟飞机和周围流体的流动，到现在它也是进行空气动力研究的最常用和有效的工具。对于机翼理论，他在试验基础上提出了举力线理论和最小诱导阻力理论、举力面理论等。在湍流理论中，他提出了层流稳定和湍流混合长度理论。他创立了边界层理论、薄翼理论、升力线理论，并且研究了超声速流动、提出普朗特－葛劳渥法则。普朗特的开创性工作，将19世纪末期的水力学和水动力学研究统一起来，被称为“现代流体力学之父”。2.2.2冯·卡门二十世纪初，莱特兄弟试飞的消息传到欧洲，在法国掀起了一阵“飞行热”。在一次飞行比赛后，冯·卡门问飞行员“我是研究科学的。有一位伟大的科学家用他的定律证明了比空气重的东西是绝对飞不起来的，怎么……”。飞行员却说：“是那个研究苹果落地的人吗？幸好我没有读过他的书，不然，今天就不会飞行成功了。我只是个飞行员。至于飞机为什么会飞起来您作为教授，应该研究它。”在回家的路上，冯·卡门坐在疾驶的车里久久地沉思。他对陪他一起来的一位记者说：“看来伟人的话也不一定都对。现在我终于决定我今后的一生该研究什么了。”冯·卡门拉住记者的手伸出车窗外，立刻有一股风吹过手面，他说：“我要不惜一切努力去研究风以及在风中飞行的全部奥秘。总有一天我会向法尔芒讲清楚他的飞机为什么能上天的道理的。”后来卡门全身心投入到流体力学的研究中，并成为了20世纪最伟大的工程师。他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，被誉为“航空航天世代的科学天才”。他在火箭的贡献尤其突出，二战时美德两国的科技竞争相当激烈。美国陆军航空队将军曾去找过卡门评价当时美国航空发展的现状和与德国竞争的潜力、预测之后几十年美国航空技术的发展。后来卡门成立了科学顾问小组，专门研究火箭、飞行器等技术，推动了战时美国航空航天技术的发展。可以说，在空气动力方面冯·卡门有着绝对的权威。此外，我国著名的科学家钱学森、钱伟长、郭永怀都是他的弟子。2.2.3中国科学家的贡献——周培源和钱学森周培源和钱学森都是中国老一辈的科学家，他们都去过国外深造，但是都回到祖国为国家的发展贡献。周培源学生时期被清华派到美国芝加哥大学去学习，后来师从海森堡、庖利等当时著名的科学家。归国后即被聘为清华大学物理系教授，当时年仅27岁。他在流体力学上的主要贡献在引力论和湍流理论上，并且在国际上第一次提出湍流脉动方程，奠定了湍流模式的基础。钱学森是著名的科学家、空气动力学家，是中国载人航天事业的奠基人。他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、气导力、制导方面都有丰富的知识。他的故事想必大家都听说过，当时他在美国听说新中国成立后想要回国发展，但是美国就以莫须有的罪名将他强行扣押，阻止他回国。以为美国军官曾经说过：一个钱学森能敌过一个师，无论如何也不能放他回中国。可见钱学森在学术上的权威。后来在我国政府的帮助下，钱学森才回到了祖国，为祖国两弹一星事业做出了巨大的贡献，获得了两弹一星功勋奖章，被誉为中国“导弹之父”、“航天之父”、“中国自动化控制之父”、“火箭之王”。二十世纪六十年代以后，流体力学出现了更多的新分支和交叉学科，如计算流体力学、两相流体力学、生物流体力学等等。到现在，流体力学已经被应用于我们生活的几乎所有角落，它无处不在。下几章就介绍一下流体力学在现代一些工程技术上的应用。三．流体力学在矿井安全工程中的应用3.1均压灭火理论矿井均压灭火的方法从20世纪50年代就开始使用了。我国一开始是在6