流體力學(xué)發(fā)展史講座

流體力學(xué)發(fā)展史及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用張一夫遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全學(xué)院人類早期的夢(mèng)想和探索人類早期的夢(mèng)想和探索《墨子》記載：“公輸子削竹木以為鵲，成而飛之，三日不下?！濒敯?BC507-BC444)人類早期的夢(mèng)想和探索阿基米德（Archimedes,BC287－BC212）古希臘哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。兼力學(xué)和物理學(xué)的偉大學(xué)者，享有“力學(xué)之父”的美稱。Archimedes(BC287-BC212)“假如給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能撬起地球?！比祟愒缙诘膲?mèng)想和探索發(fā)現(xiàn)阿基米德定律（浮力原理）；浮力原理曹沖（196-208）稱象人類早期的夢(mèng)想和探索阿基米德螺旋（線）；阿基米德螺旋抽水機(jī)常見的阿基米德螺線人類早期的夢(mèng)想和探索·列奧納多?達(dá)?芬奇（LeonardoDaVinci,1452-1519）文藝復(fù)興的代表人物之一，是世界文化史上最偉大的人物之一；

意大利著名的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師，航空科學(xué)研究的創(chuàng)始人。DaVinci(1452-1519)薩頓曾指出：“寫一部有關(guān)他的天才作品的完整研究著作，也就意味著寫一部十五世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的真正百科全書?！?/p>

人類早期的夢(mèng)想和探索在許多學(xué)科學(xué)領(lǐng)域都頗有建樹

達(dá)?芬奇遺留手稿水利機(jī)械鳥的飛翔原理

人類早期的夢(mèng)想和探索航空科學(xué)研究的創(chuàng)始人。

MartinKemp,Leonardoliftsoff:AwingdesignedbyLeonardodaVinciprovestobeaerodynamic.NatureVol.421,20February2003早期的流體力學(xué)早期的流體力學(xué)牛頓（IsaacNewton，1642-1727）英國(guó)偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家。牛頓在科學(xué)上最卓越的貢獻(xiàn)是微積分和經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建。得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。提出了“牛頓粘性定律”；牛頓并沒有建立起流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實(shí)際情形還有較大的別距。

Newton(1642-1727)早期的流體力學(xué)伯努利（DanielBernoulli，1700-1782）瑞士物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、醫(yī)學(xué)家；著名的伯努利家族中最杰出的一位；被稱為“流體力學(xué)之父”。Bernoulli(1700-1782)《流體動(dòng)力學(xué)》(Hydrodynamica)(1738年出版)伯努利發(fā)明的血壓測(cè)量原理伯努利血壓測(cè)量方法優(yōu)點(diǎn)：血壓測(cè)量準(zhǔn)確；

缺點(diǎn)：給病人帶來痛苦；這種測(cè)量血壓的方法，在伯努利之后仍然應(yīng)用了達(dá)170年之久。早期的流體力學(xué)伯努利方程1738年伯努利(D.Bernoulli)提出了著名的伯努利方程.流速高處壓力低，流速低處壓力高。

靜壓+動(dòng)壓=總壓=常數(shù)(Staticpressure)(Dynamicpressure)(Totalpressure)(Constant)早期的流體力學(xué)伯努利方程的應(yīng)用

機(jī)翼升力原理早期的流體力學(xué)

香蕉球的原理只平動(dòng)(向下)只旋轉(zhuǎn)平動(dòng)加旋轉(zhuǎn)足球場(chǎng)上著名的“貝氏弧線”

早期的流體力學(xué)為什么兩艘輪船相離很近前進(jìn)時(shí)容易相撞？

一艘渡船和一艘運(yùn)輸船在巴哈馬水域相撞

兩船相撞的原理早期的流體力學(xué)伯努利方程在工程中的應(yīng)用之一畢托管的測(cè)速原理畢托管的原理

早期的流體力學(xué)伯努利方程在工程中的應(yīng)用之二文丘里管孔板流量計(jì)早期的流體力學(xué)Euler(1707-1783)歐拉（LeonhardEuler，1707-1783）,瑞士數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。數(shù)學(xué)：第一個(gè)使用“函數(shù)”，把微積分應(yīng)用于物理學(xué)的先驅(qū)者之一；理想流體基本方程——?dú)W拉方程（1736）；能被用來研究沖擊波。

早期的流體力學(xué)歐拉方程和Laplace方程至今仍空氣動(dòng)力學(xué)和水波等理論中應(yīng)用。早期的流體力學(xué)達(dá)朗貝爾（D‘AlembertJeanLeRond

）法國(guó)著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家；十八世紀(jì)為牛頓力學(xué)體系的建立作出卓越貢獻(xiàn)的科學(xué)家之一；提出了波動(dòng)方程；

第一次提出了流體速度和加速度分量的概念。

D‘Alembert(1717-1783)早期的流體力學(xué)《動(dòng)力學(xué)》于1743年出版，是達(dá)朗貝爾最偉大的物理學(xué)著作；《動(dòng)力學(xué)》中闡述了著名的達(dá)朗貝爾原理：作用于一個(gè)物體的外力與動(dòng)力的反作用之和等于零．即

在沒有約束時(shí)，與牛頓的運(yùn)動(dòng)第二定律一致；但這是概念上的變化，有下列重要意義：把動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題來處理；

用于剛體的平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，可利用平面靜力學(xué)方法，使問題簡(jiǎn)化；在有約束情況下，用達(dá)朗貝爾原理式非常有利；

而且為分析力學(xué)的創(chuàng)立打下了基礎(chǔ)。早期的流體力學(xué)流體力學(xué)研究流體的力學(xué)研究從牛頓開始，但作為一門學(xué)科——流體力學(xué)，則是18世紀(jì)的歐拉，伯努利(Bernoulli)，克萊洛和達(dá)朗貝爾打下的基礎(chǔ)；歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開始了用微分方程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)定量研究的階段。

十九世紀(jì)的流體力學(xué)十九世紀(jì)的流體力學(xué)Navier

(1785-1836)Stokes(1819-1903)納維（ClaudeLouisNavier,1785-1836）法國(guó)工程師和物理學(xué)家；建立了流體平衡和運(yùn)動(dòng)的基本方程。斯托克斯（1819-1903）英國(guó)力學(xué)家、數(shù)學(xué)家；建立粘性流體運(yùn)動(dòng)的基本方程組；十九世紀(jì)的流體力學(xué)N-S方程的具體形式十九世紀(jì)的流體力學(xué)亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz,1821-1894）德國(guó)物理學(xué)家，生理學(xué)家。亥姆霍茲渦量定理（1858）；Helmholtz(1821-1894)十九世紀(jì)的流體力學(xué)開爾文（LordKelvin

，1824～1907)原名威廉·湯姆森(WilliamThomson），愛爾蘭的數(shù)學(xué)物理學(xué)家、工程師；受勛后的名為凱爾文男爵一世或領(lǐng)主凱爾文(1stBaronKelvin或LordKelvin)；開爾文是熱力學(xué)的主要奠基人之一，被稱為熱力學(xué)之父。于1848年創(chuàng)立了熱力學(xué)溫標(biāo)。Kelvin(1824-1907)十九世紀(jì)的流體力學(xué)被稱之為“開爾文-赫姆霍茲波浪”的瘋狂的云朵

1869年發(fā)現(xiàn)Kelvin環(huán)量定理（開爾文-赫姆霍茲定理）被用來解釋很多重要的流體現(xiàn)象。開爾文-赫姆霍茲不穩(wěn)定性十九世紀(jì)的流體力學(xué)雷諾（O.Reynolds，1842-1912）；英國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家和工程師；1883年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)──層流和紊流。Reynolds(1842-1912)雷諾的實(shí)驗(yàn)裝置十九世紀(jì)的流體力學(xué)湍流（Re>4000）層流（Re＜2000）過渡流（Re=2000~4000）十九世紀(jì)的流體力學(xué)找到了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動(dòng)規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)──雷諾數(shù)：提出了雷諾平均N-S方程，至今還是湍流計(jì)算中的主要數(shù)學(xué)模型。煙縷由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?/p>

核爆蘑菇云火山爆發(fā)二十世紀(jì)的流體力學(xué)二十世紀(jì)的流體力學(xué)1.德國(guó)哥廷根學(xué)派的創(chuàng)立普朗特（LudwigPrandtl，1875－1953），德國(guó)物理學(xué)家，哥廷根大學(xué)教授，近代力學(xué)奠基人之一；將19世紀(jì)末期的水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)研究統(tǒng)一起來，被稱為“現(xiàn)代流體力學(xué)之父”。

L.Prandtl

(1875－1953)二十世紀(jì)的流體力學(xué)1904年，普朗特完成他最著名的一篇論文——《非常小摩擦下的流體流動(dòng)》。在這篇論文中，普朗特首次描述了邊界層及其在減阻和流線型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，描述了邊界層分離，并提出失速概念。由此，創(chuàng)造了邊界層理論。流體邊界層

二十世紀(jì)的流體力學(xué)失速飛機(jī)的升力系數(shù)隨飛機(jī)迎角的增加而增大。當(dāng)迎角增加到某一數(shù)值后，升力系數(shù)不升反降，導(dǎo)致飛機(jī)升力迅速小于飛機(jī)重力，飛機(jī)便很快下墜，這種現(xiàn)象稱為失速。當(dāng)失速時(shí)，飛機(jī)會(huì)產(chǎn)生失控的俯沖顛簸運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生振動(dòng)，駕駛員感到操縱異常。

二十世紀(jì)的流體力學(xué)避免邊界層分離以及失速的方法——超臨界翼型；超臨界翼型驗(yàn)證試飛中的TF－8A

二十世紀(jì)的流體力學(xué)研究了帶彎度翼型的氣動(dòng)問題，并提出簡(jiǎn)化的薄翼理論；可壓縮性問題：普朗特－葛勞渥修正公式；二十世紀(jì)的流體力學(xué)培養(yǎng)了很多著名科學(xué)家，其中包括馮.卡門（vonKármán

）、梅耶（TheodorMeyer

）、貝茨（A.Betz）、貝克爾（E.Becker）、施利希廷（H.Schlichting）、阿道夫.布斯曼（A.Busemann）等著名流體力學(xué)家，影響深遠(yuǎn)的流體力學(xué)哥廷根學(xué)派。

二十世紀(jì)的流體力學(xué)我國(guó)流體力學(xué)研究做出奠基工作的陸士嘉教授也曾是普朗特的學(xué)生。陸士嘉教授（1911-1986）北京航空學(xué)院的籌建者之一；中國(guó)第一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)奠基者。陸士嘉（1911-1986）二十世紀(jì)的流體力學(xué)20世紀(jì)上半葉的哥廷根大學(xué)——物理學(xué)領(lǐng)域的“麥加”在20世紀(jì)上半葉創(chuàng)造了“哥廷根諾貝爾奇跡”；45位諾貝爾獎(jiǎng)得主曾在哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)、任教或研究；

著名校友還包括：德意志帝國(guó)的宰相奧托·馮·俾斯麥；聯(lián)邦德國(guó)前總統(tǒng)里夏德·馮·魏茨澤克；前總理格哈特·施羅德；德國(guó)大詩人海涅；童話作家格林兄弟；第一批原子彈制造者羅伯特·奧本海默；金融家約翰·皮爾蒙特·摩根；哲學(xué)家亞瑟·叔本華，也曾求學(xué)于哥廷根；哥廷根大學(xué)二十世紀(jì)的流體力學(xué)2.美國(guó)的崛起馮·卡門（T.von

Kármán，1881-1963），匈牙利猶太人。

提出“卡門渦街”理論、建立“湍流”概念；我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森博士的導(dǎo)師；“全世界聞名的工程力學(xué)和航空技術(shù)權(quán)威”；美國(guó)國(guó)家科學(xué)勛章的首位獲得者。T.von

Kármán(1881-1963)二十世紀(jì)的流體力學(xué)發(fā)現(xiàn)著名的卡門渦街（vonKármánvortexstreet）1997年匈牙利發(fā)行一張馮·卡門以卡門渦街為背景的紀(jì)念郵票

由計(jì)算機(jī)生成的圖片展示出的馮·卡門渦街（美國(guó)物理學(xué)會(huì)2009流體運(yùn)動(dòng)最佳圖片之一

）

二十世紀(jì)的流體力學(xué)卡門渦街由計(jì)算機(jī)模擬出的馮·卡門渦街現(xiàn)象二十世紀(jì)的流體力學(xué)卡門渦街其他形狀物體繞流引起的馮·卡門渦街現(xiàn)象二十世紀(jì)的流體力學(xué)“卡門渦街”引起的危害塔科瑪（Takoma）橋風(fēng)毀事故過程

二十世紀(jì)的流體力學(xué)智利塞爾扣克島馮·卡門渦街——眾多漩渦形成一個(gè)“串”

由美國(guó)宇航局“水”衛(wèi)星拍攝到的揚(yáng)馬延島附近的“卡門渦街”現(xiàn)象

“陸地7”號(hào)衛(wèi)星拍到的瓜德羅普島上空的渦街二十世紀(jì)的流體力學(xué)1946年，馮·卡門提出跨聲速相似律；可壓縮空氣動(dòng)力學(xué)理論體系跨聲速相似律（馮·卡門）亞聲速相似律（普朗特）

高超聲速相似律（錢學(xué)森）超聲速相似律（阿克萊）二十世紀(jì)的流體力學(xué)1946年10月，題為《超聲速空氣動(dòng)力學(xué)的理論和應(yīng)用》的重要演講，向人們宣告了超聲速時(shí)代即將到來。

他對(duì)航空航天技術(shù)的發(fā)展有過很多重要的預(yù)見，后來都一一成為現(xiàn)實(shí)，例如超聲速飛行、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、全天候飛行、衛(wèi)星……

二十世紀(jì)的流體力學(xué)在學(xué)術(shù)論文中被廣泛引用的馮卡門的部分研究成果：

vonKármán

渦街(圓柱繞流)vonKármán

積分方程(邊界層)Kármán-Pohlhausen

參數(shù)(邊界層)vonKármán-Tsien

壓縮性修正關(guān)系(空氣動(dòng)力學(xué))vonKármán

卵形體(超聲速空氣動(dòng)力學(xué))Kármán-Treffz

變換(翼型理論)Kármán-Nikuradse

修正關(guān)系(粘流)Prandtl-vonKármán

定律(槽道流的速度)Chaplygin-Kármán-Tsien

近似(勢(shì)流)Falkowich-Kármán

方程(跨聲速流)Born-vonKármán

格子模型(結(jié)晶學(xué))二十世紀(jì)的流體力學(xué)1945年，錢學(xué)森（中）、馮·卡門（右）及普朗特（左）在德國(guó)哥廷根會(huì)面培養(yǎng)了一批杰出的中國(guó)留學(xué)生：錢學(xué)森、林家翹、郭永懷、錢偉長(zhǎng)、范緒箕等。二十世紀(jì)的流體力學(xué)3.英國(guó)劍橋?qū)W派的基礎(chǔ)研究泰勒（G.I.

Taylor，1886-1975），英國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家；劍橋流體力學(xué)鼻祖；1944年因科學(xué)工作成績(jī)卓著被授予爵位。Taylor(1886-1975)二十世紀(jì)的流體力學(xué)同軸兩轉(zhuǎn)動(dòng)圓軸間流動(dòng)的失穩(wěn)條件的研究；考慮同軸圓筒間的流動(dòng)．圓筒相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力導(dǎo)致流動(dòng)失穩(wěn)的分叉過程非常復(fù)雜，稱為Taylor-Couette流．二十世紀(jì)的流體力學(xué)黏度計(jì)內(nèi)的Taylo