一，研究?jī)?nèi)容

　　流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)中隨時(shí)隨地都可遇到流體，所以流體力學(xué)是與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)的。大氣和水是最常見(jiàn)的兩種流體，大氣包圍著整個(gè)地球，地球表面的70%是水面。大氣運(yùn)動(dòng)、海水運(yùn)動(dòng)(包括波浪、潮汐、中尺度渦旋、環(huán)流等)乃至地球深處熔漿的流動(dòng)都是流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容。

　　20世紀(jì)初，世界上第一架飛機(jī)出現(xiàn)以后，飛機(jī)和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)50年代開(kāi)始的航天飛行，使人類的活動(dòng)范圍擴(kuò)展到其他星球和銀河系。航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展是同流體力學(xué)的分支學(xué)科——空氣動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展緊密相連的。這些學(xué)科是流體力學(xué)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域。

　　石油和天然氣的開(kāi)采，地下水的開(kāi)發(fā)利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，這是流體力學(xué)分支之一——滲流力學(xué)研究的主要對(duì)象。滲流力學(xué)還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過(guò)濾，燃燒室的冷卻等技術(shù)問(wèn)題。

　　燃燒離不開(kāi)氣體，這是有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問(wèn)題，是物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過(guò)程，涉及氣體動(dòng)力學(xué)，從而形成了爆炸力學(xué)。

　　沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動(dòng)、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運(yùn)動(dòng)等，都涉及流體中帶有固體顆?；蛞后w中帶有氣泡等問(wèn)題，這類問(wèn)題是多相流體力學(xué)研究的范圍。

　　等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場(chǎng)作用下有特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科稱為等離子體動(dòng)力學(xué)和電磁流體力學(xué)，它們?cè)谑芸責(zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運(yùn)動(dòng)等方面有廣泛的應(yīng)用。

　　風(fēng)對(duì)建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發(fā)振動(dòng);廢氣和廢水的排放造成環(huán)境污染;河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕;研究這些流體本身的運(yùn)動(dòng)及其同人類、動(dòng)植物間的相互作用的學(xué)科稱為環(huán)境流體力學(xué) (其中包括環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)、建筑空氣動(dòng)力學(xué))。這是一門(mén)涉及經(jīng)典流體力學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)和水力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等的新興邊緣學(xué)科。

　　生物流變學(xué)研究人體或其他動(dòng)植物中有關(guān)的流體力學(xué)問(wèn)題，例如血液在血管中的流動(dòng)，心、肺、腎中的生理流體運(yùn)動(dòng)和植物中營(yíng)養(yǎng)液的輸送。此外，還研究鳥(niǎo)類在空中的飛翔，動(dòng)物在水中的游動(dòng)，等等。

　　因此，流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué);從對(duì)不同“力學(xué)模型”的研究來(lái)分，則有理想流體動(dòng)力學(xué)、粘性流體動(dòng)力學(xué)、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮流體動(dòng)力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)等。

　　二，流體力學(xué)的研究方法

　　進(jìn)行流體力學(xué)的研究可以分為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析、數(shù)值計(jì)算四個(gè)方面：

　　現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動(dòng)現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，從而總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并借以預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變。過(guò)去對(duì)天氣的觀測(cè)和預(yù)報(bào)，基本上就是這樣進(jìn)行的。

　　不過(guò)現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復(fù)出現(xiàn)，影響到對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律的研究;現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)還要花費(fèi)大量物力、財(cái)力和人力。因此，人們建立實(shí)驗(yàn)室，使這些現(xiàn)象能在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。

　　同物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科一樣，流體力學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，尤其是對(duì)新的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的研究。實(shí)驗(yàn)?zāi)茱@示運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其主要趨勢(shì)，有助于形成概念，檢驗(yàn)理論的正確性。二百年來(lái)流體力學(xué)發(fā)展史中每一項(xiàng)重大進(jìn)展都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。

　　模型實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)中占有重要地位。這里所說(shuō)的模型是指根據(jù)理論指導(dǎo)，把研究對(duì)象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實(shí)驗(yàn)。有些流動(dòng)現(xiàn)象難于靠理論計(jì)算解決，有的則不可能做原型實(shí)驗(yàn)(成本太高或規(guī)模太大)。這時(shí)，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可以用像換算單位制那樣的簡(jiǎn)單算法求出原型的數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)常常是對(duì)已有事物、已有工程的觀測(cè)，而實(shí)驗(yàn)室模擬卻可以對(duì)還沒(méi)有出現(xiàn)的事物、沒(méi)有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設(shè)計(jì)的工程、機(jī)械等)進(jìn)行觀察，使之得到改進(jìn)。因此，實(shí)驗(yàn)室模擬是研究流體力學(xué)的重要方法。

　　理論分析是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下：

　　首先是建立“力學(xué)模型”，即針對(duì)實(shí)際流體的力學(xué)問(wèn)題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問(wèn)題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動(dòng)等。

　　其次是針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律表達(dá)出來(lái)，從而得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式(例如狀態(tài)方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。

　　求出方程組的解后，結(jié)合具體流動(dòng)，解釋這些解的物理含義和流動(dòng)機(jī)理。通常還要將這些理論結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定所得解的準(zhǔn)確程度和力學(xué)模型的適用范圍。

　　從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數(shù)學(xué)問(wèn)題，所以流體力學(xué)的發(fā)展是以數(shù)學(xué)的發(fā)展為前提。反過(guò)來(lái)，那些經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐考驗(yàn)過(guò)的流體力學(xué)理論，又檢驗(yàn)和豐富了數(shù)學(xué)理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進(jìn)行數(shù)學(xué)研究、發(fā)展數(shù)學(xué)理論的好課題。按目前數(shù)學(xué)發(fā)展的水平看，有不少題目將是在今后幾十年以內(nèi)難于從純數(shù)學(xué)角度完善解決的。

　　在流體力學(xué)理論中，用簡(jiǎn)化流體物理性質(zhì)的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變量和減少未知函數(shù)等方法來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)問(wèn)題，在一定的范圍是成功的，并解決了許多實(shí)際問(wèn)題。

　　對(duì)于一個(gè)特定領(lǐng)域，考慮具體的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的具體環(huán)境后，抓住主要因素忽略次要因素進(jìn)行抽象化也同時(shí)是簡(jiǎn)化，建立特定的力學(xué)理論模型，便可以克服數(shù)學(xué)上的困難，進(jìn)一步深入地研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。

　　20世紀(jì)50年代開(kāi)始，在設(shè)計(jì)攜帶人造衛(wèi)星上天的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，配合實(shí)驗(yàn)所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡(jiǎn)化，才能及時(shí)得到指導(dǎo)設(shè)計(jì)的流體力學(xué)結(jié)論。

　　此外，流體力學(xué)中還經(jīng)常用各種小擾動(dòng)的簡(jiǎn)化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學(xué)是流體力學(xué)中采用小擾動(dòng)方法而取得重大成就的最早學(xué)科。聲學(xué)中的所謂小擾動(dòng)，就是指聲音在流體中傳播時(shí)，流體的狀態(tài)(壓力、密度、流體質(zhì)點(diǎn)速度)同聲音未傳到時(shí)的差別很小。線性化水波理論、薄機(jī)翼理論等雖然由于簡(jiǎn)化而有些粗略，但都是比較好地采用了小擾動(dòng)方法的例子。

　　每種合理的簡(jiǎn)化都有其力學(xué)成果，但也總有其局限性。例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播;忽略了粘性就不能討論與它有關(guān)的阻力和某些其他效應(yīng)。掌握合理的簡(jiǎn)化方法，正確解釋簡(jiǎn)化后得出的規(guī)律或結(jié)論，全面并充分認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)化模型的適用范圍，正確估計(jì)它帶來(lái)的同實(shí)際的偏離，正是流體力學(xué)理論工作和實(shí)驗(yàn)工作的精華。

　　流體力學(xué)的基本方程組非常復(fù)雜，在考慮粘性作用時(shí)更是如此，如果不靠計(jì)算機(jī)，就只能對(duì)比較簡(jiǎn)單的情形或簡(jiǎn)化后的歐拉方程或N-S方程進(jìn)行計(jì)算。20世紀(jì)30～40年代，對(duì)于復(fù)雜而又特別重要的流體力學(xué)問(wèn)題，曾組織過(guò)人力用幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間做數(shù)值計(jì)算，比如圓錐做超聲速飛行時(shí)周圍的無(wú)粘流場(chǎng)就從1943年一直算到1947年。

　　數(shù)學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步，以及流體力學(xué)各種計(jì)算方法的發(fā)明，使許多原來(lái)無(wú)法用理論分析求解的復(fù)雜流體力學(xué)問(wèn)題有了求得數(shù)值解的可能性，這又促進(jìn)了流體力學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展，并形成了“計(jì)算流體力學(xué)”。

　　從20世紀(jì)60年代起，在飛行器和其他涉及流體運(yùn)動(dòng)的課題中，經(jīng)常采用電子計(jì)算機(jī)做數(shù)值模擬，這可以和物理實(shí)驗(yàn)相輔相成。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M相互配合，使科學(xué)技術(shù)的研究和工程設(shè)計(jì)的速度加快，并節(jié)省開(kāi)支。數(shù)值計(jì)算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。

　　解決流體力學(xué)問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析和數(shù)值計(jì)算幾方面是相輔相成的。實(shí)驗(yàn)需要理論指導(dǎo)，才能從分散的、表面上無(wú)聯(lián)系的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結(jié)論。反之，理論分析和數(shù)值計(jì)算也要依靠現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬給出物理圖案或數(shù)據(jù)，以建立流動(dòng)的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模式;最后，還須依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這些模型和模式的完善程度。此外，實(shí)際流動(dòng)往往異常復(fù)雜(例如湍流)，理論分析和數(shù)值計(jì)算會(huì)遇到巨大的數(shù)學(xué)和計(jì)算方面的困難，得不到具體結(jié)果，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行研究。

　　流體力學(xué)的展望

　　從阿基米德到現(xiàn)在的二千多年，特別是從20世紀(jì)以來(lái)，流體力學(xué)已發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分，同時(shí)又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、天文學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。

　　今后，人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進(jìn)行流體力學(xué)應(yīng)用性的研究，另一方面將更深入地開(kāi)展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律和機(jī)理。后一方面主要包括：通過(guò)湍流的理論和實(shí)驗(yàn)研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計(jì)算模式;多相流動(dòng);流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用;邊界層流動(dòng)和分離;生物地理學(xué)和環(huán)境流體流動(dòng)等問(wèn)題;有關(guān)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等。

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