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流体力学发展概况和趋势

 

作为物理的一部分,流体力学在很早以前就得到发展。在19世纪,流体力学沿着两个方面发展,一方面,将流体视为无粘性的,有一大批有名的力学数学家从事理论研究,对数学物理方法和复变函数的发展,起了相当重要的作用;另一方面,由于灌溉、给排水、造船,及各种工业中管道流体输运的需要,使得工程流体力学,特别是水力学得到高度发展。


将二者统一起来的关键是本世纪初边界层理论的提出,其中心思想是在大部分区域,因流体粘性起的作用很小,流体确实可以看成是无粘的。这样,很多理想流体力学理论就有了应用的地方。但在邻近物体表面附近的一薄层中,粘性起着重要的作用而不能忽略。边界层理论则提供了一个将这两个区域结合起来的理论框架。边界层这样一个现在看来是显而易见的现象,是德国的普朗特在水槽中直接观察到的。这虽也是很多人可以观察到的,却未引起重视,普朗特的重大贡献就在于他提出了处理这种把两个物理机制不同的区域结合起来的理论方法。这一理论提出后,在经过约10年的时间,奠定了近代流体力学的基础。


有意思的是在流体力学中发现的这种边界层现象,很快地在别的科学领域得到了响应,因为这里面包含了更广泛和深刻的内容。由此又大大促进了应用数学的发展,从而形成了现在在很多科学中广泛应用的“渐近匹配法”。


在流体力学中首先发现的现象及为此提出的理论,在一段时间以后被发现在其他学科领域中同样存在和有用,这样的例子并不是唯一的一个。例如,100年前在水波中观察到的孤立波及其理论到本世纪60年代被发现在声波、光波中同样存在和有用,从而迅速形成了系统的理论。目前具有重要应用前景的光通讯,正是建立在孤立子(孤立波)理论基础上的。


又如在上个世纪发现的流体从下部加热从而引起对流并能形成有规则图形的现象,以及本世纪20年代发现的两旋转圆筒间所充满的流体在一定条件下能形成有规则的二次流的现象,成了近代在各个学科领域中普遍关注的分岔现象及理论的经典例子。而且也是最近逐步形成的图形(pattern)动力学的典型例子及实验对象。


再如在本世纪60年代由流体对流(与气象有关)导出的洛伦茨(E.N.Lorenz)方程及其研究,导致了混沌理论的形成。而混沌理论不仅在自然科学,而且在社会科学中都有普遍意义,因而被认为是本世纪科学中最重要成就之一。


以上所举的几个例子,足以说明流体力学的研究在近代科学发展中所起的作用,这种现象有其深刻的背景。首先,流体运动是宏观现象,最便于人类观察和感知。而流体力学从本质上讲是非线性的,包含着极为丰富而至今还未被人认识和理解的现象及规律。所以有理由相信,这种由流体力学中发现的规律逐渐渗透到其他科学领域并最终形成具有普遍意义的理论的科学发展道路,今后仍将在整个自然科学的发展中继续起着重要作用。


流体力学又是很多工业的基础。最突出的例子是航空航天工业。可以毫不夸大地说,没有流体力学的发展,就没有今天的航空航天技术。当然,航空航天工业的需要,也是流体力学,特别是空气动力学发展的最重要的推动力。就以亚音速的民航机为例,如果坐在一架波音747飞机上,想一下这种有400多人坐在其中,总重量超过300吨,总的长宽有大半个足球场大的飞机,竟是由比鸿毛还轻的空气支托着,这是任何人都不能不惊叹流体力学的成就。更不用说今后会将出现更大、飞行速度更快的飞机。


同样,也不可能想象,没有流体力学的发展,能设计制造排水量超过50万吨的船舶,能建造长江三峡水利工程这种超大规模工程,能设计90万kW汽轮机组,能建造每台价值超过10亿美元的海上采油平台,能进行气候的中长期预报,等等。甚至天文上观测到的一些宇宙现象,如星系螺旋结构形成的机理,也通过流体力学中形成的理论得到了解释。近年来从流体力学的角度对鱼类游动原理的研究,发现了采用只是摆动尾部(指身体大部不动)来产生推进力的鱼类,最好的尾型应该是细长的月牙型。这正是经过几亿年进化而形成的鲨鱼和鲸鱼的尾型,而这些鱼类的游动能力在鱼类中是最好的。这就为生物学进化方面提供了说明,引起了生物学家的很大兴趣。


所以很明显,流体力学研究,既对整个科学的发展起了重要的作用,又对很多与国计民生有关的工业和工程,起着不可缺少的作用。它既有基础学科的性质,又有很强的应用性,是工程科学或技术科学的重要组成部分。今后流体力学的发展仍应二者并重。


展望下一世纪流体力学的发展,一方面以湍流机制为核心的若干基本问题将继续受到重视;另一方面为促进国家建设和社会进步,主要力量将会集中于研究与解决具有明确应用目标的应用基础课题。今后10至20年,流体力学大体会沿以下三个方向发展:


(1) 在基础理论研究方面,湍流机制将仍然是注意的中心

对于流动稳定性和混沌的研究也将会以相当大的比重与湍流研究相结合或者与之发生密切的联系。近来发展非常迅速的各类流动显示技术和粒子成像测速法将对猝发、分离、失稳,以及各类涡的形成、运动和发展、破裂、合并、重联等现象和过程提供详细的记录,巧妙地设计实验将为建立新的理论模型指出方向和依据。


直接数值模拟可以摒弃对经验的依赖,考虑到计算机性能的限度,需要发展高分辨率的算法和并行计算技术,精心设计典型算例,将会提供更多新的现象和规律。研究湍流、混沌所遇到的数学困难在于N-S方程的非线性,采用摄动展开不失为解决弱非线性问题的手段,但很有必要寻求新的表述方法和数学工具。针对不同类型的流动特点,将会不断构造出新的理论模型,增强预测的能力。


(2) 在应用基础研究方面,需要加强流体力学的研究

在应用基础研究方面,除了继续解决航空航天、航海、机械、水利、化工等方面的流体力学问题,还将在普遍受到重视的能源、环境、材料以及高技术等领域中加强流体力学的研究。相当数量的问题是具有几何形状复杂、流体结构多样,还可能存在多相和反应以及出现非平衡现象,值得提到的有超声速燃烧,化学反应流,高超声速绕流等。不论是整体流场或是某一单元过程,数值模拟将会发挥重要作用。在某些典型问题方面,如绕流、水波、可压缩性波动等,已经发展了一批大型计算软件,今后这一发展势头将会更快,它不仅可以满足实用的需要,也是一种为理论研究服务的数值实验。


(3) 一些新的领域可能有大的发展

由于社会经济持续发展的需要,流体力学将会对全社会关心的生态环境的维护问题发挥积极的作用,重点是研究陆气、海气界面过程,污染物的迁移,风沙、泥沙、泥石流运动,以及农业和工业中的水循环等。此外,与生物、地球和天文的结合也将会涌现重大的研究成果。


流体力学的发展概况

本世纪的流体力学取得多方面的重大进展,特别是在本世纪下半叶,由于实验测试技术、数值计算手段和分析方法上的进步,在多种非线性流动以及力学和其他物理、化学效应相耦合的流动等方面呈现了丰富多采的发展态势。


在实验方面,已经建立了适合于研究不同马赫数、雷诺数范围典型流动的风洞、激波管、弹道靶以及水槽、水洞、转盘等实验设备,发展了热线技术、激光技术、超声技术和速度、温度、浓度及涡度的测量技术,流动显示和数字化技术的迅猛发展使得大量数据采集、处理和分析成为可能,为提供新现象和验证新理论创造了条件。


计算流体力学发展极快。出现了有限差分、有限元、有限分析、谱方法和辛算法;建立了较完整的理论体系,即稳定性理论、数值耗散和色散分析、网格生成和自适应技术、迭代和加速收敛方法;

提出了求解自由边界问题的多种拉格朗日和欧拉的混合方法,计算包含复杂激波系的复杂流场的高精度格式等。目前,计算流体力学已经成为流体力学各分支中不可缺少的工具。


分析方法的主要进步当首推渐近展开法的日趋成熟,多种渐近法(如匹配展开法、多重尺度法、平均变分法等)被广泛运用于求解弱非线性问题。纯粹数学中的泛函、群论、拓扑学,尤其是微分动力系统的发展为研究非线性问题提供了有效的手段。

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