流體力學發(fā)展史

流體力學發(fā)展簡史流體力學作為經(jīng)典力學的一個重要分支，其發(fā)展與數(shù)學、力學的發(fā)展密不可分。它同樣是人類在長期與自然災害作斗爭的過程中逐步認識和掌握自然規(guī)律，逐漸發(fā)展形成的，是人類集體智慧的結晶。人類最早對流體力學的認識是從治水、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，特別是李冰父子領導修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉農田，并總結出"深淘灘，低作堰"、"遇彎截角，逢正抽心"的治水原則。說明當時對明槽水流和堰流流動規(guī)律的認識已經(jīng)達到相當水平。

西漢武帝（公元前156-前87）時期，為引洛水灌溉農田，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，以水為動力的簡單機械也有了長足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過簡單的機械傳動去碾米、磨面等。東漢杜詩任南陽太守時（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風機），利用水力，通過傳動機械，使皮制鼓風囊連續(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）--計時工具，就是利用孔口出流使銅壺的水位變化來計算時間的。說明當時對孔口出流已有相當?shù)恼J識。

北宋（960-1126）時期，在運河上修建的真州船閘與十四世紀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，何夢瑤在《算迪》一書中提出流量等于過水斷面面積乘以斷面平均流速的計算方法。歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學現(xiàn)象研究的是古希臘學者阿基米德（Archimedes，公元前287－212），在公元前250年發(fā)表學術論文《論浮體》，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。

列奧納德.達.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519）(意大利著名物理學家和藝術家)設計建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。

-斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）(荷蘭數(shù)學家與工程家)將用于研究固體平衡的凝結原理轉用到流體上。伽利略（Galileo,1564-1642）(意大利物理學家、天文學家和哲學家,近代實驗科學的先驅)在流體靜力學中應用了虛位移原理，并首先提出，運動物體的阻力隨著流體介質密度的增大和速度的提高而增大。托里拆利（E.Torricelli,1608-1647）(\o"意大利物理學家"意大利物理學家和數(shù)學家)論證了孔口出流的基本規(guī)律。(托里拆利(Torricelli，Evangelista，1608-1647)是17世紀西方的一位頗負盛名的\o"科學家"科學家。1608年10月15日生于\o"法恩扎"法恩扎。托里拆利在求學時已顯露\o"才華"才華，為\o"學校"學校主管人B.卡斯泰里（伽利略早年的學生）所賞識，\o"畢業(yè)"畢業(yè)后便被任用為\o"私人秘書"私人秘書。1641年卡斯泰里將他\o"正式"正式介紹給伽利略，托里拆利便與V.維維亞尼一同給伽利略作伴。三人相處極其友善，經(jīng)常討論學術問題，直到伽利略去世。同時托斯卡納公國大公聘托里拆利為\o"宮廷數(shù)學家"宮廷數(shù)學家和\o"哲學家"哲學家，接替前任伽利略的\o"職務"職務，薪俸優(yōu)厚。他在正當39歲生日之際，突然\o"病倒"病倒，與世長辭?？伤诙潭痰囊簧?，取得了多方面杰出的\o"成就"成就，贏得了很高的聲譽。)帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）(法國數(shù)學家與物理學家)提出了密閉流體能傳遞壓強的原理--帕斯卡原理。(帕斯卡幼年時是個病弱的孩子，可是腦力方面卻是個神童。他的父親是小官吏，也是個數(shù)學家，自已親自監(jiān)督孩子的教育。他研究流體時指出：作用于密閉容器中的流體上的壓力不減弱地傳到整個流體，并且垂直地作用在它所接觸的所有界面上。這稱為帕斯卡原理，它構成水壓機的基礎。在液體容器中，如果把小活塞壓下去，就可以把容器的另一處的大活塞推起來。把大活塞推起的力與把小活塞壓下去的力的比就等于大活塞的橫截面積與小活塞的橫截面積的比。)牛頓（I.Newton，1642－1727）(英國物理學家、數(shù)學家、天文學家、爵士、國會議員、皇家學會會長等。牛頓是大批基督徒科學家中最杰出的代表)于1687年出版了《自然哲學的數(shù)學原理》。研究了物體在阻尼介質中的運動，建立了流體內摩擦定律，為粘性流體力學初步奠定了理論基礎，并討論了波浪運動等問題。

伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）(瑞士科學家)在1738年出版的名著《流體動力學》中，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉換關系──伯努利方程。在此歷史階段，諸學者的工作奠定了流體靜力學的基礎，促進了流體動力學的發(fā)展。歐拉（L.Euler，1707－1783）(瑞士數(shù)學家及自然科學家，是伯努利的學生)是經(jīng)典流體力學的奠基人，1755年發(fā)表《流體運動的一般原理》，提出了流體的連續(xù)介質模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運動微分方程，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。他提出了研究流體運動的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應當滿足的運動條件和方程。(歐拉(L.Euler,1707-1783)是瑞士數(shù)學家.生于瑞士的巴塞爾(Basel).父親保羅·歐拉是位牧師,喜歡數(shù)學,所以歐拉從小就受到這方面的熏陶.但父親卻執(zhí)意讓他攻讀神學,以便將來接他的班.幸運的是,歐拉并沒有走父親為他安排的路.最終成為杰出的數(shù)學家)

達朗伯（J.leR.d'Alembert,1717－1783）(法國著名的物理學家、數(shù)學家和天文學家)1744年提出了達朗伯疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理想流體中運動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）(法國數(shù)學家、力學家及天文學家，但他出生在意大利)提出了新的流體動力學微分方程，使流體動力學的解析方法有了進一步發(fā)展。嚴格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應用復變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運動開辟了道路。(拉格朗日，法國數(shù)學家、力學家及天文學家拉格朗日于1736年1月25日在意大利西北部的都靈出生。少年時讀了哈雷介紹牛頓有關微積分之短文，因而對分析學產(chǎn)生興趣。他亦常與歐拉有書信往來，于探討數(shù)學難題「等周問題」的過程中，當時只有18歲的他就以純分析的方法發(fā)展了歐拉所開創(chuàng)的變分法，奠定變分法之理論基礎。后入都靈大學。1755年，19歲的他就已當上都靈皇家炮兵學校的數(shù)學教授。不久便成為柏林科學院通訊院院士。兩年后，他參與創(chuàng)立都靈科學協(xié)會的工作，并于協(xié)會出版的科技會刊上發(fā)表大量有關變分法、概率論、微分方程、弦振動及最小作用原理等論文。這些著作使他成為當時歐洲公認的第一流數(shù)學家。到了1764年，他憑萬有引力解釋月球天平動問題獲得法國巴黎科學院獎金。1766年，又因成功地以微分方程理論和近似解法研究科學院所提出的一個復雜的六體問題［木星的四個衛(wèi)星的運動問題］而再度獲獎。同年，德國普魯士王腓特烈邀請他到柏林科學院工作時說：「歐洲最大的王」的宮廷內應有「歐洲最大的數(shù)學家」，于是他應邀到柏林科學院工作，并在那里居住達20年。其間他寫了繼牛頓后又一重要經(jīng)典力學著作《分析力學》［1788］。書內以變分原理及分析的方法，把完整和諧的力學體系建立起來，使力學分析化。他于序言中更宣稱：力學已成分析的一個分支。)弗勞德（W.Froude，1810-1879）(英國船舶設計師弗勞德（W.Froude）)對船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數(shù)--弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗技術的基礎。

亥姆霍茲（H.vonHelmholtz,1821-1894）(德國物理學家和數(shù)學家)和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）(德國物理學家和數(shù)學家)對旋渦運動和分離流動進行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學術成就。納維（C.-L.-M.-H.Navier）(827年法國人納維(C.L.M.Navier)建立了粘性流體運動的基本方程，納維是法國著名力學家和工程師)首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）(1845年英國人斯托克斯G.G.Stokes又以更合理的方式嚴格地導出了這組方程)，后人稱之為N—S方程，斯托克斯并把流體質點的運動分解為平動、轉動、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運動。后來引用時，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程。

著名的學者謝才（A.deChézy）(法國著名物理學家及工程師)在1755年便總結出明渠均勻流公式--謝才公式，一直沿用至今。

雷諾（O.Reynolds，1842-1912）(英國力學家、物理學家和工程師，杰出的實驗科學家)1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)──層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準則數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定了基礎。

瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919）(英國流體力學家)在相似原理的基礎上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法--瑞利法。

庫塔（M.W.Kutta，1867－1944）(德國物理學家)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）(德國力學家，近代力學奠基人之一)建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。以后又針對航空技術和其他工程技術中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。(是馮·卡門的導師)

儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,1847－1921）(前蘇聯(lián)人，現(xiàn)在的俄羅斯，著名的物理學家)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)流之間的關系，建立了二維升力理論的數(shù)學基礎。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，對空氣動力學的理論和實驗研究都有重要貢獻，為近代高效能飛機設計奠定了基礎。

卡門（T.vonKármán，1881-1963）(匈牙利裔美國工程師和物理學家)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、超聲速空氣動力學、火箭及噴氣技術等方面都有不少貢獻。(提出“卡門渦街”理論、建立“湍流”概念;–是我國著名科學家錢學森的博士導師)布拉休斯（H.Blasius）（BlasiusofParma，約1345約—1416）意大利自然哲學家，在1913年發(fā)表的論文中，提出了計算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。

伯·諾金漢（E.Buckingham）(美國物理學家)在1914年發(fā)表的《在物理的相似系統(tǒng)中量綱方程應用的說明》論文中，提出了著名的π定理，進一步完善了量綱分析法。

尼古拉茲（J.Nikuradze）(德國人)在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對砂粒粗糙管內水流阻力系數(shù)的實測結果--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有的系數(shù)。

科勒布茹克（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)計算公式。莫迪（L.F.Moody）(美國工程師)1944年發(fā)表的論文中，給出了他繪制的實用管道的當量糙粒阻力系數(shù)圖--莫迪圖。至此，有壓管流的水力計算已漸趨成熟。

我國科學家的杰出代表錢學森（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-錢學森解法。他在空氣動力學、航空工程、噴氣推進、工程控制論等技術科學領域做出過許多開創(chuàng)性的貢獻。

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的葉輪機械三元流動的基本方程及其解法》兩篇論文中所建立的葉輪機械三元流理論，至今仍是國內外許多優(yōu)良葉輪機械設計計算的主要依據(jù)。(吳仲華，中國工程熱物理學家。中國科學院院士。原籍江蘇蘇州市，1917年7月27日出生于上海，1940年畢業(yè)于西南聯(lián)大后留校任教。1947年在美國麻省理工學院獲博士學位。在清華大學一年級時，吳仲華認識了同級同學李敏華，李敏華1940年畢業(yè)于西南聯(lián)大航空系后也留校任教，他們志同道合，于1943年結成伉儷，在57年的共同生活、工作中，他們相親相愛，榮辱與共，兩人又都榮為中國科學院院士，被傳為佳話。1943年底吳仲華通過清華大學公費留學考試，與李敏華一起乘船赴美國麻省理工學院(MIT）研究生院攻讀博士學位，當時他們認為祖國是農業(yè)國，發(fā)展農業(yè)機械化是當務之急，為此吳仲華希望就讀于農業(yè)機械化專業(yè)，但該校已不招該專業(yè)研究生，吳仲華只能改學內燃機專業(yè)。后來他們有了兩個孩子，吳仲華為了支持李敏華學習，承擔了大量家務，他們只能兩人輪流上課，當時他們的住處靠近學校大禮堂，每到下課鈴聲響起時，兩人就趕緊換班，分別奔向教室和家中。一位資深教授回憶當年深有感觸地說：“一個小個子女孩打敗了所有男孩?！边@個小女孩就是李敏華，因為她的工程熱力學課程成績?yōu)槿嘧詈谩?947年吳仲華以優(yōu)異成績獲科學博士學位，李敏華也于1948年成為麻省理工航空系第一位女性工程博士。畢業(yè)后，為了取得科研工作的經(jīng)驗，他們倆人先后應聘到美國航空咨詢委員會(NACA，為美國宇航局NASA前身）劉易斯噴氣推進中心任研究科學家。由于他們夫婦沒有加入美國國籍，作為外國人在那里工作，要經(jīng)過美國國會批誰，當年僅有四名外國人獲準，他們夫婦倆就在其中。吳仲華原有志于傳熱研究，如葉片冷卻，可是劉易斯實驗室希望他從事葉輪機械流動研究，于是他專注于這復雜的流動問題。經(jīng)過兩年多努力，1950年他發(fā)表了第一篇論文《徑向平衡條件對軸流式壓氣機和透平設計的應用》，之后又陸續(xù)發(fā)表了一系列論文，并于當年創(chuàng)立了國際公認的葉輪機械三元流動通用理論。上世紀九十年代美國機械工程師學會國際燃氣輪機學術大會評論道：在五十年代初期，國際葉輪機械界發(fā)生了兩件大事：計算機的發(fā)明和葉輪機械吳氏通用理論的創(chuàng)立，促進了葉輪機械的發(fā)展。這兩件事又是密切相關，是吳仲華教授開創(chuàng)了葉輪機械三元流動數(shù)值仿真的先河，從此葉輪機械得到蓬勃發(fā)展。朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā)后，中美兩國成為敵對國，他們夫婦倆決定再不能為美國軍方服務了。當?shù)弥袊砦樾迿嗟铰?lián)合國做報告時，吳仲華專程前去旁聽。第一次在國際舞臺上聽到新中國代表的聲音，吳仲華夫婦十分興奮，決定回國，為此他們辭去了在劉易斯噴氣推進中心的工作，轉入紐約布魯克林大學機械系任教授。1954年8月1日，趁星期日紐約機場的移民局辦事處照例關門之機，全家（夫妻二人和兩個孩子）離開美國，以赴歐洲旅游為名，取道英國、瑞士、奧地利、捷克斯洛伐克和前蘇聯(lián)，繞過了大半個地球回到祖國。)周培源（ZhouPeiyuan）（1902年8月28日－1993年11月24日）著名流體力學家、理論物理學家、教育家和社會活動家。中國共產(chǎn)黨黨員。中國科學院院士，我國近代力學奠基人和理論物理奠基人之一。主要從事流體力學中的湍流理論和廣義相對論中的引力論的研究。奠定了湍流模式理論的基礎；研究并初步證實了廣義相對論引力論中“坐標有關”的重要論點。多年從事紊流統(tǒng)計理論的研究，取得了不少成果，1975年發(fā)表在《中國科學》上的《均勻各向同性湍流的渦旋結構的統(tǒng)計理論》便是其中之一。(1902年8月28日出生于江蘇省宜興縣的一個書香之家。父親周文伯是清朝秀才。母親馮瑛生有一子三女，周培源排行第二。1919年，他考入清華學校（今清華大學前身）中等科。學習期間，他對數(shù)學產(chǎn)生了濃厚的興趣，并發(fā)表了論文《三等分角法二則》，受到當時數(shù)學教授鄭之蕃的贊許。1924年，他由清華學校高等科畢業(yè)。同年秋天，由于他成績優(yōu)秀，被清華學校派送去美國繼續(xù)完成大學課程，入美國芝加哥大學數(shù)理系二年級學習。周培源于1926年春、夏兩季分別獲學士和碩士學位。1927年，周培源入美國加利福尼亞理工學院繼續(xù)攻讀研究生。他先從師貝德曼，后改從E.T.貝爾做相對論方面的研究，次年獲理學博士學位，并獲得最高榮譽獎（Summacumlaude）。1928年秋，他赴德國萊比錫大學，在W.K.海森伯（Heisenbe教授領導下從事量子力學的研究。1929年，又赴瑞士蘇黎世高等工業(yè)學校，在S.泡利（Pauli）教授領導下從事量子力學研究。同年回國，被聘為國立清華大學（以下簡稱清華大學）物理系教授，其時年僅27歲，而后又先后在西南聯(lián)大、北京大學任教授。1932年，周培源與王蒂澄女士結婚，生有四個女兒。王蒂澄退休前，一直在清華大學附屬中學教書。1936年至1937年，根據(jù)清華大學休假規(guī)定，周培源再赴美國，在普林斯頓高等學術研究院從事理論物理的研究。其間他參加了愛因斯坦（Einstein）教授親自領導的廣義相對論討論班，并從事相對論引力論和宇宙論的研究。第二次世界大戰(zhàn)開始后，美國國內急需科技人員，周培源一家剛入境，就收到移民局的正式邀請，給予全家永久居留權，周培源對此一笑了之。1937年，他假滿回國。不久，抗日戰(zhàn)爭爆發(fā)。7月底，平津淪陷；8月，侵華日軍開進了清華園。周培源受校長梅貽琦之托，安排學校南遷，曾先后任長沙臨時大學和昆明國立西南聯(lián)合大學物理系教授。在這期間，他抱著科學家應為反戰(zhàn)服務，以科學拯救祖國危亡的志向，毅然轉向