流体力学发展史讲座

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1、流体力学发展史及其在实际工 程中的应用张一夫 辽宁工程技术大学 安全学院人类早期的梦想和探索人类早期的梦想和探索墨子记载：“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下。”鲁班 (BC507-BC444)人类早期的梦想和探索阿基米德（Archimedes, BC287BC212） 古希腊哲学家、数学家、物理学家。 兼力学和物理学的伟大学者，享有“力学之父”的美称。Archimedes (BC287-BC212)“假如给我一个支点，我就能撬起地球。”人类早期的梦想和探索 发现阿基米德定律 （浮力原理）；浮力原理曹冲（196-208）称象人类早期的梦想和探索 阿基米德螺旋（线）；阿基米德螺旋抽水机常见的

2、阿基米德螺线人类早期的梦想和探索列奥纳多达芬奇（ Leonardo Da Vinci, 1452-1519） 文艺复兴的代表人物之一，是世界文化史上最伟大的人物之一； 意大利著名的艺术家、科学家和工程师，航空科学研究的创始人。 Da Vinci (1452-1519)萨顿曾指出：“写一部有关他的天才 作品的完整研究著作，也就意味着写 一部十五世纪科学技术的真正百科全 书。” 人类早期的梦想和探索 在许多学科学领域都颇有建树 达芬奇遗留手稿水利机械鸟的飞翔原理 人类早期的梦想和探索 航空科学研究的创始人。 Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing desig

3、ned by Leonardo da Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003早期的流体力学早期的流体力学 牛顿（Isaac Newton，1642 -1727） 英国伟大的数学家、物理学 家、天文学家和自然哲学家 。 牛顿在科学上最卓越的贡献 是微积分和经典力学的创建 。 得到阻力与流体密度、物体 迎流截面积以及运动速度的 平方成正比的关系。 提出了“牛顿粘性定律”； 牛顿并没有建立起流体动力 学的理论基础，他提出的许 多力学模型和结论同实际情 形还有较大的别距。 Newton (1642-1727)早

4、期的流体力学伯努利（Daniel Bernoulli，1700-1782） 瑞士物理学家、数学家、医学家； 著名的伯努利家族中最杰出的一位； 被称为“流体力学之父”。 Bernoulli (1700-1782)流体动力学(Hydrodynamica) (1738年出版)伯努利发明的血压测量原理 伯努利血压测量方法 优点：血压测量准确； 缺点：给病人带来痛苦；这种测量血压的方法，在伯努利之后仍然应 用了达170年之久。早期的流体力学 伯努利方程 1738年伯努利(D. Bernoulli)提出了著名的伯努利方程.流速高处压力低，流速低处压力高。 静压 + 动压 = 总压 = 常数(Static

5、pressure) (Dynamic pressure) (Total pressure) (Constant)早期的流体力学 伯努利方程的应用机翼升力原理早期的流体力学香蕉球的原理只平动(向下)只旋转平动加旋转足球场上著名的“贝氏弧线” 早期的流体力学 为什么两艘轮船相离很近前进时容易相撞？ 一艘渡船和一艘运输船在巴哈马水域相撞 两船相撞的原理早期的流体力学伯努利方程在工程中的应用之一 毕托管的测速原理毕托管的原理 早期的流体力学伯努利方程在工程中的应用之二 文丘里管孔板流量计早期的流体力学Euler (1707-1783)欧拉（Leonhard Euler ，1707-1783）,瑞士 数

6、学家和物理学家。 数学：第一个使用“函数”，把微积分应用于 物理学的先驱者之一； 理想流体基本方程欧拉方程（1736）； 能被用来研究冲击波。 早期的流体力学欧拉方程和Laplace方程至今仍空气动力 学和水波等理论中应用。早期的流体力学达朗贝尔（DAlembert Jean Le Rond ） 法国著名的物理学家、数学家和天 文学家； 十八世纪为牛顿力学体系的建立作 出卓越贡献的科学家之一； 提出了波动方程； 第一次提出了流体速度和加速度分 量的概念。 DAlembert (1717-1783)早期的流体力学 动力学于1743年出版，是达朗贝尔最伟大的物理学著作 ； 动力学中阐述了著名的达朗

7、贝尔原理： 作用于一个物体的外力与动力的反作用之和等于零即 在没有约束时 ，与牛顿的运动第二定律一致； 但这是概念上的变化，有下列重要意义： 把动力学问题转化为静力学问题来处理； 用于刚体的平面运动时，可利用平面静力学方法，使问题简化； 在有约束情况下，用达朗贝尔原理式非常有利； 而且为分析力学的创立打下了基础。 早期的流体力学流体力学研究流体的力学研究从牛顿开始，但作为一门学科 流体力学，则是18世纪的欧拉，伯努利(Bernoulli)，克莱洛和达 朗贝尔打下的基础； 欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科 建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定 量研究的

8、阶段。 十九世纪的流体力学十九世纪的流体力学Navier (1785-1836)Stokes (1819-1903)纳维（Claude Louis Navier, 1785-1836） 法国工程师和物理学家； 建立了流体平衡和运动的基本方程。 斯托克斯（1819-1903） 英国力学家、数学家； 建立粘性流体运动的基本方程组 ； 十九世纪的流体力学N-S方程的具体形式十九世纪的流体力学亥姆霍兹（ Hermannvon Helmholtz,1821- 1894） 德国物理学家，生理学家。 亥姆霍兹涡量定理（1858）；Helmholtz (1821-1894)十九世纪的流体力学开尔文（Lord

9、Kelvin ，18241907) 原名威廉汤姆森(William Thomson）， 爱尔兰的数学物理学家、工程师； 受勋后的名为凯尔文男爵一世或领主凯尔 文(1st Baron Kelvin或Lord Kelvin)； 开尔文是热力学的主要奠基人之一，被称 为热力学之父。于1848年创立了热力学温 标。Kelvin (1824-1907)十九世纪的流体力学被称之为“开尔文-赫姆霍兹波浪”的疯狂的云朵 1869年发现 Kelvin环量定理（开尔文-赫姆霍兹定理 ） 被用来解释很多重要的流体现象。 开尔文-赫姆霍兹不稳定性十九世纪的流体力学雷诺（O.Reynolds，1842-1912）；英国

10、力学家、物理学家和工程师； 1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态层流和紊流。Reynolds (1842-1912)雷诺的实验装置十九世纪的流体力学湍流（Re4000）层流（Re2000）过渡流（Re=20004000）十九世纪的流体力学 找到了实验研究粘性流体流动 规律的相似准则数雷诺数： 提出了雷诺平均N-S方程，至今 还是湍流计算中的主要数学模 型。烟缕由层流转变为湍流核爆蘑菇云火山爆发二十世纪的流体力学二十世纪的流体力学1. 德国哥廷根学派的创立 普朗特（Ludwig Prandtl，1875 1953），德国物理学家，哥廷 根大学教授，近代力学奠基人之 一； 将19世纪末期的

11、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”。 L. Prandtl (18751953)二十世纪的流体力学1904年，普朗特完成他最著名的一篇论文非常小摩擦下的流体流动 。在这篇论文中，普朗特首次描述了边界层及其在减阻和流线型设计中的应 用，描述了边界层分离，并提出失速概念。 由此，创造了边界层理论。流体边界层 二十世纪的流体力学失速 飞机的升力系数随飞机迎角的增加而增大。当迎角增加到某一数值 后，升力系数不升反降，导致飞机升力迅速小于飞机重力，飞机便 很快下坠，这种现象称为失速。 当失速时，飞机会产生失控的俯冲颠簸运动，发动机发生振动，驾 驶员感到操纵异常。 二十世纪的流体

12、力学 避免边界层分离以及失速的方法超临界翼型；超临界翼型验证试飞中的TF8A 二十世纪的流体力学 研究了带弯度翼型的气动问题，并提出简化的薄翼理论； 可压缩性问题：普朗特葛劳渥修正公式 ；二十世纪的流体力学培养了很多著名科学家，其中包括冯.卡门（von Krmn ）、梅耶（ Theodor Meyer ）、贝茨（A.Betz）、贝克尔（E. Becker）、施利希廷（H. Schlichting）、阿道夫.布斯曼（A.Busemann）等著名流体力学家，影响深远 的流体力学哥廷根学派。 二十世纪的流体力学 我国流体力学研究做出奠基工作的陆士嘉教授也曾是普朗特的学生 。 陆士嘉教授（1911-1

13、986） 北京航空学院的筹建者之一； 中国第一个空气动力学专业奠基者。陆士嘉（1911-1986）二十世纪的流体力学20世纪上半叶的哥廷根大学物理学领域的“麦加” 在20世纪上半叶创造了“哥廷根诺贝尔奇迹”； 45位诺贝尔奖得主曾在哥廷根大学学习、任教或研究； 著名校友还包括： 德意志帝国的宰相奥托冯俾斯麦； 联邦德国前总统里夏德冯魏茨泽克； 前总理格哈特施罗德； 德国大诗人海涅； 童话作家格林兄弟； 第一批原子弹制造者罗伯特奥本海默； 金融家约翰皮尔蒙特摩根； 哲学家亚瑟叔本华，也曾求学于哥廷根； 哥廷根大学二十世纪的流体力学 2. 美国的崛起 冯卡门（ T.von Krmn，1881- 1

14、963），匈牙利犹太人。 提出“卡门涡街”理论、建立“湍流 ”概念； 我国著名科学家钱学森博士的导师； “全世界闻名的工程力学和航空技术 权威” ； 美国国家科学勋章的首位获得者。 T.von Krmn (1881-1963)二十世纪的流体力学发现著名的卡门涡街（von Krmn vortex street）1997年匈牙利发行一张冯卡门以 卡门涡街为背景的纪念邮票 由计算机生成的图片展示出的冯卡门涡街 （美国物理学会2009流体运动最佳图片之一 ） 二十世纪的流体力学卡门涡街由计算机模拟出的冯卡门涡街现象二十世纪的流体力学卡门涡街其他形状物体绕流引起的冯卡门涡街现象二十世纪的流体力学 “卡门

15、涡街”引起的危害塔科玛（Takoma）桥风毁事故过程 二十世纪的流体力学智利塞尔扣克岛冯卡门涡街众多漩涡形成一个“串” 由美国宇航局“水”卫星拍摄到 的扬马延岛附近的“卡门涡街” 现象 “陆地7”号卫星拍到的瓜德罗普 岛上空的涡街二十世纪的流体力学1946年，冯卡门提出跨声速相似律；可压缩空气动力学 理论体系跨声速相似律 （冯卡门）亚声速相似律（普朗特） 高超声速相似律（钱学森）超声速相似律（阿克莱）二十世纪的流体力学1946年10月，题为超声速空气动力学的理论和应用的重要演讲，向人们 宣告了超声速时代即将到来。 他对航空航天技术的发展有过很多重要的预见，后来都一一成为现实，例如 超声速飞行、远程导弹、全天候飞行、卫星 二十世纪的流体力学 在学术论文中被广泛引用的冯卡门的部分研究成果： von Krmn 涡街(圆柱绕流) von Krmn 积分方程(边界层) Krmn-Pohlhausen 参数(边界层) von Krmn-Tsien 压缩性修正关系(空气动力学) von Krmn 卵形体(超声速空气动力学) Krmn-Treffz 变换(翼型理论) Krmn