流体力学发展史.doc

.流体力学发展简史流体力学作为经典力学的一个重要分支，其发展与数学、力学的发展密不可分。它同样是人类在长期 与自然 灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律，逐渐发展形成的，是人类集体智慧的结晶。 人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。在我国水力事业的历史十分悠久。 4000多年前的 大禹治水 ，说明我国古代已有大规模的治河工程。 秦代，在公元前256-前210年间便修建了 都江堰 、 郑国渠 、 灵渠 三大水利工程，特别是李冰父子领导修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉农田，并总结出深淘滩，低作堰、遇弯截角，逢正抽心的治水原则。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。 西汉武帝（公元前156-前87）时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了 龙首渠 ，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造 水排 （水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。 古代的 铜壶滴漏 （铜壶刻漏）-计时工具，就是利用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。说明当时对孔口出流已有相当的认识。 北宋（960-1126）时期，在运河上修建的 真州船闸 与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。 明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙和借清刷黄的 治黄原则 ，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。 清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出 流量 等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。 欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者 阿基米德 （Archimedes，公元前287212），在公元前250年发表学术论文论浮体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理。 列奥纳德.达.芬奇 （Leonardo.da.Vinci,14521519）(意大利著名物理学家和艺术家) 设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。 -斯蒂文 （S.Stevin,1548-1620）(荷兰数学家与工程家)将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。 伽利略 （Galileo,1564-1642）(意大利物理学家、天文学家和哲学家,近代实验科学的先驱) 在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高而增大。 托里拆利 （E.Torricelli,1608-1647）(意大利物理学家和数学家) 论证了孔口出流的基本规律。 (托里拆利(Torricelli，Evangelista，1608-1647)是17世纪西方的一位颇负盛名的科学家。1608年10月15日生于法恩扎。托里拆利在求学时已显露才华，为学校主管人B.卡斯泰里（伽利略早年的学生）所赏识，毕业后便被任用为私人秘书。1641年卡斯泰里将他正式介绍给伽利略，托里拆利便与V.维维亚尼一同给伽利略作伴。三人相处极其友善，经常讨论学术问题，直到伽利略去世。同时托斯卡纳公国大公聘托里拆利为宫廷数学家和哲学家，接替前任伽利略的职务，薪俸优厚。他在正当39岁生日之际，突然病倒，与世长辞。可他在短短的一生中，取得了多方面杰出的成就，赢得了很高的声誉。)帕斯卡 （B.Pascal,1623-1662）(法国数学家与物理学家)提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡原理。 (帕斯卡幼年时是个病弱的孩子，可是脑力方面却是个神童。他的父亲是小官吏，也是个数学家，自已亲自监督孩子的教育。他研究流体时指出：作用于密闭容器中的流体上的压力不减弱地传到整个流体，并且垂直地作用在它所接触的所有界面上。这称为帕斯卡原理，它构成水压机的基础。在液体容器中，如果把小活塞压下去，就可以把容器的另一处的大活塞推起来。把大活塞推起的力与把小活塞压下去的力的比就等于大活塞的横截面积与小活塞的横截面积的比。)牛顿 （I.Newton，16421727）(英国物理学家、数学家、天文学家、爵士、国会议员、皇家学会会长等。牛顿是大批基督徒科学家中最杰出的代表) 于1687年出版了自然哲学的数学原理。研究了物体在阻尼介质中的运动，建立了流体内摩擦定律，为粘性流体力学初步奠定了理论基础，并讨论了波浪运动等问题。 伯努利 （D.Bernoulli，17001782）(瑞士科学家) 在1738年出版的名著流体动力学中，建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系伯努利方程。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动力学的发展。 欧拉 （L.Euler，17071783）(瑞士数学家及自然科学家，是伯努利的学生) 是经典流体力学的奠基人，1755年发表流体运动的一般原理，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件和方程。 (欧拉(L.Euler,1707-1783)是瑞士数学家.生于瑞士的巴塞尔(Basel).父亲保罗欧拉是位牧师,喜欢数学,所以欧拉从小就受到这方面的熏陶.但父亲却执意让他攻读神学,以便将来接他的班.幸运的是,欧拉并没有走父亲为他安排的路.最终成为杰出的数学家)达朗伯 （J.le R.dAlembert,17171783）(法国著名的物理学家、数学家和天文学家) 1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。 拉格朗日 J.-L.Lagrange,17361813）(法国数学家、力学家及天文学家，但他出生在意大利) 提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。 (拉格朗日，法国数学家、力学家及天文学家拉格朗日于1736年1月25日在意大利西北部的都灵出生。少年时读了哈雷介绍牛顿有关微积分之短文，因而对分析学产生兴趣。他亦常与欧拉有书信往来，于探讨数学难题等周问题的过程中，当时只有18岁的他就以纯分析的方法发展了欧拉所开创的变分法， 奠定变分法之理论基础。后入都灵大学。 1755年，19岁的他就已当上都灵皇家炮兵学校的数学教授。不久便成为柏林科学院通讯院院士。两年后，他参与创立都灵科学协会的工作，并于协会出版的科技会刊上发表大量有关变分法、概率论 、微分方程、弦振动及最小作用原理等论文。这些着作使他成为当时欧洲公认的第一流数学家。到了1764年，他凭万有引力解释月球天平动问题获得法国巴黎科学院奖金。1766年，又因成功地以微分方程理论和近似解法研究科学院所提出的一个复杂的六体问题木星的四个卫星的运动问题而再度获奖。 同年，德国普鲁士王腓特烈邀请他到柏林科学院工作时说：欧洲最大的王的宫廷内应有欧洲最大的数学家，于是他应邀到柏林科学院工作，并在那里居住达20年。其间他写了继牛顿后又一重要经典力学着作分析力学1788。书内以变分原理及分析的方法，把完整和谐的力学体系建立起来，使力学分析化。他于序言中更宣称：力学已成分析的一个分支。)弗劳德 （W.Froude，1810-1879）(英国船舶设计师弗劳德（W.Froude）) 对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数-弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。 亥姆霍兹 （H.von Helmholtz,1821-1894）(德国物理学家和数学家)和 基尔霍夫 （G.R.Kirchhoff,1824-1887）(德国物理学家和数学家) 对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。纳维 （C.-L.-M.-H.Navier）(827年法国人纳维(C.L.M.Navier)建立了粘性流体运动的基本方程，纳维是法国著名力学家和工程师) 首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。 斯托克斯 （G.G.Stokes）(1845年英国人斯托克斯G.G.Stokes 又以更合理的方式严格地导出了这组方程)，后人称之为NS方程，斯托克斯并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程，简称N-S方程。 著名的学者 谢才 （A.de Chzy）(法国著名物理学家及工程师)在1755年便总结出明渠均匀流公式-谢才公式，一直沿用至今。 雷诺 （O.Reynolds，1842-1912）(英国力学家、物理学家和工程师，杰出的实验科学家)1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。 瑞利 （L.J.W.Reyleigh，1842-1919）(英国流体力学家) 在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞利法。 库塔 （M.W.Kutta，18671944）(德国物理学家) 1902年就曾提出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。 普朗特 （L.Prandtl，18751953）(德国力学家，近代力学奠基人之一) 建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。 (是冯卡门的导师) 儒科夫斯基（.,18471921）(前苏联人，现在的俄罗斯，著名的物理学家) 从1906年起，发表了论依附涡流等论文，找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。 卡门 （T.von Krmn，1881-1963）(匈牙利裔美国工程师和物理学家) 在1911-1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。 (提出“卡门涡街”理论、建立“湍流”概念; 是我国著名科学家钱学森的博士导师)布拉休斯 （H.Blasius）（Blasius of Parma，约1345约1416）意大利自然哲学家，在1913年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。 伯诺金汉 （E.Buckingham）(美国物理学家)在1914年发表的在物理的相似系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法。 尼古拉兹（J.Nikuradze）(德国人) 在1933年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。 科勒布茹克 （C.F.Colebrook）在1939年发表的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。 莫迪 （L.F.Moody）(美国工程师) 1944年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图-莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。 我国科学家的杰出代表 钱学森 （Qian Xuesen）早在1938年发表的论文中，便提出了平板可压缩层流边界层的解法-卡门-钱学森解法。他在空气动力学、航空工程、喷气推进、工程控制论等技术科学领域做出过许多开创性的贡献。 吴仲华 （Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。 (吴仲华，中国工程热物理学家。中国科学院院士。 原籍江苏苏州市，1917年7月27日出生于上海，1940年毕业于西南联大后留校任教。1947年在美国麻省理工学院获博士学位 。在清华大学一年级时，吴仲华认识了同级同学李敏华，李敏华1940年毕业于西南联大航空系后也留校任教，他们志同道合，于1943 年结成伉俪，在57 年的共同生活、工作中，他们相亲相爱，荣辱与共，两人又都荣为中国科学院院士，被传为佳话。1943年底吴仲华通过清华大学公费留学考试，与李敏华一起乘船赴美国麻省理工学院(MIT）研究生院攻读博士学位，当时他们认为祖国是农业国，发展农业机械化是当务之急，为此吴仲华希望就读于农业机械化专业，但该校已不招该专业研究生，吴仲华只能改学内燃机专业。后来他们有了两个孩子，吴仲华为了支持李敏华学习，承担了大量家务，他们只能两人轮流上课，当时他们的住处靠近学校大礼堂，每到下课铃声响起时，两人就赶紧换班，分别奔向教室和家中。一位资深教授回忆当年深有感触地说：“一个小个子女孩打败了所有男孩。”这个小女孩就是李敏华，因为她的工程热力学课程成绩为全班最好。1947 年吴仲华以优异成绩获科学博士学位，李敏华也于1948年成为麻省理工航空系第一位女性工程博士。毕业后，为了取得科研工作的经验，他们俩人先后应聘到美国航空咨询委员会(NACA，为美国宇航局NASA前身）刘易斯喷气推进中心任研究科学家。由于他们夫妇没有加入美国国籍，作为外国人在那里工作，要经过美国国会批谁，当年仅有四名外国人获准，他们夫妇俩就在其中。吴仲华原有志于传热研究，如叶片冷却，可是刘易斯实验室希望他从事叶轮机械流动研究，于是他专注于这复杂的流动问题。经过两年多努力，1950 年他发表了第一篇论文径向平衡条件对轴流式压气机和透平设计的应用，之后又陆续发表了一系列论文，并于当年创立了国际公认的叶轮机械三元流动通用理论。上世纪九十年代美国机械工程师学会国际燃气轮机学术大会评论道：在五十年代初期，国际叶轮机械界发生了两件大事：计算机的发明和叶轮机械吴氏通用理论的创立，促进了叶轮机械的发展。这两件事又是密切相关，是吴仲华教授开创了叶轮机械三元流动数值仿真的先河，从此叶轮机械得到蓬勃发展。朝鲜战争爆发后，中美两国成为敌对国，他们夫妇俩决定再不能为美国军方服务了。当得知中国代表伍修权到联合国做报告时，吴仲华专程前去旁听。第一次在国际舞台上听到新中国代表的声音，吴仲华夫妇十分兴奋，决定回国，为此他们辞去了在刘易斯喷气推进中心的工作，转入纽约布鲁克林大学机械系任教授。1954年8月1日，趁星期日纽约机场的移民局办事处照例关门之机，全家（夫妻二人和两个孩子）离开美国，以赴欧洲旅游为名，取道英国、瑞士、奥地利、捷克斯洛伐克和前苏联，绕过了大半个地球回到祖国。)周培源 （Zhou Peiyuan）（1902年8月28日1993年11月24日）著名流体力学家、理论物理学家、教育家和社会活动家。中国共产党党员。中国科学院院士，我国近代力学奠基人和理论物理奠基人之一。主要从事流体力学中的湍流理论和广义相对论中的引力论的研究。奠定了湍流模式理论的基础；研究并初步证实了广义相对论引力论中“坐标有关”的重要论点。多年从事紊流统计理论的研究，取得了不少成果，1975年发表在中国科学上的均匀各向同性湍流的涡旋结构的统计理论便是其中之一。(1902年8月28日出生于江苏省宜兴县的一个书香之家。父亲周文伯是清朝秀才。母亲冯瑛生有一子三女，周培源排行第二。1919年，他考入清华学校（今清华大学前身）中等科。学习期间，他对数学产生了浓厚的兴趣，并发表了论文三等分角法二则，受到当时数学教授郑之蕃的赞许。1924年，他由清华学校高等科毕业。同年秋天，由于他成绩优秀，被清华学校派送去美国继续完成大学课程，入美国芝加哥大学数理系二年级学习。周培源于1926年春、夏两季分别获学士和硕士学位。1927年，周培源入美国加利福尼亚理工学院继续攻读研究生。他先从师贝德曼，后改从E.T.贝尔做相对论方面的研究，次年获理学博士学位，并获得最高荣誉奖（Summa cum laude）。1928年秋，他赴德国莱比锡大学，在W.K.海森伯（Heisenbe教授领导下从事量子力学的研究。1929年，又赴瑞士苏黎世高等工业学校，在S.泡利（Pauli）教授领导下从事量子力学研究。同年回国，被聘为国立清华大学（以下简称清华大学）物理系教授，其时年仅27岁，而后又先后在西南联大、北京大学任教授。1932年，周培源与王蒂澄女士结婚，生有四个女儿。王蒂澄退休前，一直在清华大学附属中学教书。1936年至1937年，根据清华大学休假规定，周培源再赴美国，在普林斯顿高等学术研究院从事理论物理的研究。其间他参加了爱因斯坦（Einstein）教授亲自领导的广义相对论讨论班，并从事相对论引力论和宇宙论的研究。第二次世界大战开始后，美国国内急需科技人员，周培源一家刚入境，就收到移民局的正式邀请，给予全家永久居留权，周培源对此一笑了之。1937年，他假满回国。不久，抗日战争爆发。7月底，平津沦陷；8月，侵华日军开进了清华园。周培源受校长梅贻琦之托，安排学校南迁，曾先后任长沙临时大学和昆明国立西南联合大学物理系教授。在这期间，他抱著科学家应为反战服务，以科学拯救祖国危亡的志向，毅然转向流体力学方面的研究。1943年至1946年，周培源再次利用休假赴美国。他先在加利福尼亚理工学院从事湍流理论研究，随后参加美国国防委员会战时科学研究与发展局海军军工试验站从事鱼雷空投入水的战事科学研究。1945年末，第二次世界大战结束，鱼雷空投入水研究组的大部分人员被美国海军部留用，成立海军军工试验站，周培源也被应邀留下。由于该试验站是