流体力学综述：从古希腊到现代科技的演变

流体力学综述：从古希腊到现代科技的演变

流体力学是研究流体（液体和气体）运动规律及其与物体相互作用的科学，广泛应用于航空航天、水利工程、生物医学等多个领域。本文将带你回顾流体力学的发展历程，从古希腊哲学家阿基米德的浮力定律，到现代计算流体力学的突破，展现这一学科的辉煌成就和广阔前景。

经典的流体力学

作为力学分支中重要部分，流体力学的发展与其他科学相似，都是从最开始的生产、生活小事开始的，也正因如此，古代流体力学的发展也就是伴随着古代人民生产生活方式的改变提升而不断发展的。最开始的古希腊的哲学家阿基米德，阿基米德写出了《论浮体》，在此书中阿基米德首次阐明了浮力定律，这算是流体力学的雏形。[1]在阿基米德之后，较为重要的便是科学家帕斯卡，帕斯卡最大的成就就是关于流体静力学的研究，他应用虚位移原理，即阐述质点组平衡条件的普遍原理对流体静力学进行了研究。[2]在这之后达芬奇等人对运动物体的阻力进行研究，以及我国古代对于水所作出的各种举措像是大禹治水，李冰父子修建的都江堰水利工程，[3]管仲治水，等等这些都是古代先贤们对于水这种自然存在的客观认识，大多都是凭借经验等的感性认识，并没有上升到理论层面。

而真正上升到理论层面，到达经典流体力学是在大约17世纪，牛顿提出了微积分，经过不断地研究，写下《自然哲学的数学原理》，在这本书中牛顿提出了许多流体的基础理论，为流体力学奠定了深厚的基础，在1738年伯努利提出了伯努利定理即，在一个流体系统中，流速越快，流体产生的压强就越小，[4]这是水力学基本原理之一，在之后的1752年，达伦贝尔得到了连续性方程，在到1775年，欧拉得到了较为突破性的进展，欧拉法的提出让人们能够用一种新的角度来对流体的运动进行观察，而无粘性流体运动的方程组的提出则标志着人们对于无粘性流体流动的研究上了一个新的台阶。在欧拉之后人们继续研究，很快，纳维和斯托克斯得出了粘性流体运动的基本方程组，也就是我们著名的纳维斯托克斯方程组，这一重大成果之后也是得到了验证，从此粘性流体运动也开始起步发展。

近代流体力学的发展

随着人们对于流体的进一步研究，理论流体力学已经开始可以运用于实践，在1883年雷诺在一系列实验下得出了流体具有两种形态的结论即层流与紊流，而区分层流与紊流则是通过雷诺数的大小来判断，在之后雷诺还提出了著名的雷诺平均方程，这极大的促进了人们对于湍流的研究，具有划时代的意义。[5]1904年普朗克提出了边界层理论。[6]普朗克流体关于固体的流动分为两部分，一部分是在物体附近流动的薄层即边界层，另一部分则是薄层外的其他区域，摩擦力主要存在于边界层部分，这是流体力学又一大突破性的进展，它解决了人们之前无法解释的阻力问题，边界层理论也为其他领域像是航空等方面做出了巨大贡献，在1925年普朗克还提出了混合长度的理论，并进行了一系列的实验，他首先通过雷诺平均方程对湍流的流动进行分析，极大的促进了紊流运动的研究。之后泰勒继续研究，建立了均匀各向同性紊流的理论，提出了理想化模型，运用模型来对紊流进行研究，虽然不能从根本上解决问题，但是这为当时的人们带来了很大的启发。中国科学家们在流体力学史上也有浓墨重彩的一笔，在1945年周培源发表了”关于湍流失联速度和湍流脉动方程的解”，他得到了相关函数的微分方程，极大促进了紊流的研究，除此之外周培源在湍流的涡旋结构方面也有很深的造诣。30年代,钱学森开始从事空气动力学的研究，并与卡门一起提出卡门-钱公式，40年代钱学森提出了跨声速流的相似律。这段时间各国科学家们都为流体力学的发展献出力量，也为航空航天工程做出了巨大贡献。

现代流体力学

流体力学发展到了现代，则开始将各种确定的理论和技术用来对我们生活的各个领域进行研究，将理论与实验模拟结合，流体力学在这时也得到了快速的发展，在各个分支领域都有所突破。现代计算机领域的迅速发展，为流体力学的发展做出了巨大贡献，他有效的解决了我们以前无法计算的很多非线性方程，并且我们可以通过计算机来对实验数据进行更为方便有效的采集，计算流体逐渐走向成熟，有限元、有限分析的出现和发展，使流体力学建立了完整的计算的理论体系，还有许多有效格式的出现，为解决各种问题提供了更适合的方法，在计算机的帮助下人们可以通过欧拉方程以及雷诺平均方程对大范围的流场等进行计算，这也为流体力学像分支领域蔓延提供了技术基础。

一系列的新型分支与雨后春笋般出现，像是医学相关领域的血液属于卡森流体，基于对血液在人体内生理活动时流动的研究，可以帮助人们解决很多医学问题，像是一些心血管疾病和一些呼吸泌尿系统中的疾病，渐渐的发展成为一个新的生物医学领域。[7]还有人们对于地球和一些宇宙中星球的一些研究，各个星球的大气，海洋的研究让我们更好的了解到了地球的一些不同之处，还让人们对惯性波、异重流等现象的认识更为深入。在化学领域流体力学也有着发展，在涉及到化学反应的搅拌现象、化学换热器、精馏塔[8]等等部分都与流体力学息息相关，随着达西定律的提出让渗流开始发展，而在50年代后渗流继续蓬勃发展出现了非等温、非均匀介质、非牛顿渗流，还有物理渗流、化学渗流生物渗流以及多相渗流等等。随后又建立了渐变流，逐步形成了非牛顿流体力学，这是流体力学又一大突破，为一些高分子材料，像是塑料、橡胶、化学纤维和造纸技术的的发展做出了巨大的贡献。

发展方向与展望

这样看来流体力学发展前景极其广阔，他对于我们各个领域的建设和发展都有着不可忽视的作用，计算机技术的进步极大地提高了我们解决复杂问题的能力，也使得计算流体力学发挥出日益重大的作用，起初他被运用于航空领域，随着科技发展船舶、工业设计等领域也开始广泛使用[9]，在我们行业，我们可以将计算流体力学用来模拟实际的流动，从而来模拟各种船体在自由表面或者一些特殊情况时的运动状况，以及解决船舶驶入港口以及后续安全停靠以及模拟船舶行驶的总阻力从而优化船体结构来节约成本等问题[10]，此外我们还要多了解其他领域关于流体力学的研究，进行学科交叉，推动分支学科发展，养成跨学科人才，各个领域齐头并进，为人类进步和我国的发展做出贡献。

参考文献：

[1]赵丹 对阿基米德的物理学理论及应用传入中国的研究 内蒙古 内蒙古师范大学 2006

[2]刘传俊 帕斯卡与流体静力学 云南教育

[3]刘玉泉,朱克勤.浅谈都江堰工程中流体力学原理的运用［J］.力学与实践,2008,30(4):102-105

[4]无处不在的伯努利原理[J]. 陈仁政;郑勇.知识就是力量,2009(11)

[5] 流体力学中的总流伯努利方程[J] 严导淦 同济大学物理科学与工程学院 2014，24(04)

[6]边界层理论. (德)史里希廷(Schlichting,H.)著;徐燕侯等译.科学出版社.1988

[7]王跃申 于海弈 徐明等计算流体力学在冠心病研究中的应用[J] 生理科学进展 2021

[8]王强 . 计算流体力学在化学工程中的应用研究 [J]. 清洗世 界，2020,36(11):28-29

[9]计算流体力学的发展及应用研究[J]. 王兵波.南方农机,2018(09)

[10]李文浩 船闸引航道口门区回流对船舶航行影响研究[D] 重庆 重庆交通大学 2021

科技新时代
2024年11期