流体力学的发展趋势

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流

体

力

学

的

发

展

趋

势

21162P21

吕鹏

2022.3

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流体力学的发展趋势21162P21吕鹤

定义

流体力学，是研究流体（液体温和体）的力学运动规律及其应用

的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和

固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力

学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静

止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用

和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价

值。

重要性

上上个世纪在运河河道中发现的孤立波在60年代得到了彻底的

解决，既推动了力学和数学的发展，也迅速导致在其它学科如光学、

声学中发现类似的现象。现在孤立波（光学中称孤立子）已成为了光通

信的基石。上世纪60年代，为探索为何基于流体力学方程的数值

天气预报只能准确到很少几天，通过简化这组方程之后，得到了现

在已十分著名的Lcrenz方程。数值计算表明，它的解对初值十分敏

感，以致一定时间之后，其值变得几乎彻底不可预测的了。这一发

现开辟了混沌研究新领域，奠定了非线性科学的基础。这一事实还

说明，流体力学方程（NS方程）的内涵十分深邃，对它的了解还远不

是充分的。水波中各种波的非线性作用的研究，也丰富了非线性科

学的内容。凡此种种，显示出了本世纪流体力学在科学发展中的作用。

流体力学在工程技术中的作用，更是有目共睹的。飞机的飞行速度得

以超过声速，是空气动力学发展的结果。人类登月的成功，大型火箭

和航天飞机的

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实现，需要解决成千上万个前所未有的难题，而力学问题往往首当其

冲。为此形成为了高超声速气动力学，物理化学流体力学，稀薄气体

力学等一系列新的分支学科，并极大地推动了计算科学的发展。为

解决喷气机的噪声问题，提出了流体噪声理论，它彻底不同于经典

的声学理论。各种高速、高机动性和高敏捷性的军用匕机和安全、

舒适的大型民航机的研制成功，同样需要流体力学提供的新思想和新

成果。70年代兴起的海上采油工业，若没有流体力学的研究成果为依

据，设计、建造单台价值超过10亿美元的海上采油平台是不可能的。

巨型船舶、高性能潜艇及各种新型船舶的研制中，流体力学问题仍

是首先要加以解决的。其它如地下油气开采也得益于流体力学的指

导。大型水利枢纽的设计和建造，离开了水力学是不可能的。各种大

型建造物，如火电站的冷却塔和大跨度桥梁等遭风载破坏的教训，

引起了力学和工程界的密切关注，形成为了风工程这门新的学科。大

型汽轮机、燃气轮机及涡喷发动机等现代动力机械的研制，提出了

许多新的流体力学问题，形成为了独特的翼栅及内流理论，其中还

伴有高温、化学反应、多相等复杂因素，总而言之，没有流体力学的

发展，本世纪的许多工程技术，特殊是高新技术的发展是不可能的。

流体力学在取得巨大发展的同时，也留下了一些仍待解决的问题。不

尽快地将它们解决，必然对科学及工程技术的进一步发展带来艰难。

同时，技术的发展是无止境的。仅就交通运输为例，无论是空中、

水上水下，还是陆地上的交通工具都在朝着更大、更快、更安全、

更舒适的方向发展，新问题将层出不穷。第一个大问题是湍流。本世

纪初，空天飞机和新一代的超

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声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的发展。在有关的高温

空气动力学中必须抛却原先的热力学平衡的假定。吸气式发动机中

H202在超声速流动状态下的混合、点火等，都是过去的理论和实践

未能解决的难题。超声速流边界层的控制、减阻以及降噪控制等也带

来一系列新问题。船舶除了向更大、更快的方向发展外，还提出了许

多新型船舶，包括贴近水面航行、必要时可升空飞行或者降在水面上

的大型冲翼艇。这时计算各种航态和海况下的波载荷，将遇到极大

的困难。由于波载计算不许而导致在恶劣海况下失事，即使对现代

的常规船舶也仍是屡见不鲜的。80年代末至今已有10余艘船在北

海失事。从流体力学的角度看，冲翼艇的艰难主要在于有事先未定

的自由表面，表面边界条件的非线性，波浪的随机性，水表层为湍

流，以及流体与船舶运动相耦合等。风浪相互作用机制，至今尚未

弄清，而它是天气预报这种全球性问题的重要环节，也是近年来正

在探索的通过遥测水面波参数以测量近水面风速这一新技术的基础,

这个问题的突破将大大改进采集全球气象数据的广度和精度。海面

波浪参数的遥测数据还有可能用以探测潜航的潜艇及海流，但这要

开辟传统波浪理论未涉及的有旋流对波浪的影响这一新的领域。为

了尽可能多地开采地下油气，需要深入研究渗流机理并将其定量化。

渗流的研究还有助于了解植物体内液体的运动规律，进而了解各种新

陈代谢的宏观机制。化工流程的设计，在相当大的程度上可归结为

流体运动的计算问题，包括多相流及非牛顿流。由于流动的复杂性,

不少重要化工装置的设计带有不少经验因素，以致不能发挥最大效

益。于是针对若干典型化工

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装置进行深入研究，将为化工设计提供新方法，实现可观的经济效益。

在未来生物技术产业化的过程中，会遇到类似或者更复杂的情况，于

是

这方面的研究是真正形成生物技术工业不可缺少的基础。

发展趋势

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，流体力学大体味

沿以下几个方向发展：

(1)湍流

流体力学中最普遍的现象是湍流，而湍流机制则是最基本的问

题，曾经吸引众多的力学家、物理学家和数学家从事研究，如：普朗特,

柯莫戈罗夫Kolmogorov),兰道(Landau)等。经过多代人的研究，

经历了唯象理论、统计理论、模式理论直至今天的直接数值摹拟等阶

段，对这一问题的认识已大为深化。

近年来运用运动稳定性理论已经能够解释自由剪切流中相干结

构的成因。边界层内相干结构的产生和演化机制则要复杂得多，尚需

作深入的研究。

由于计算机和计算方法的发展，近20年来湍流的直接数值摹拟

取得了惊人的发展。因为它不包含人为假设和经验常数而能描述各种

尺度涡结构的演化，在槽道流中显示了从层流到充分发展湍流的完整

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的转挨过程，可以认为直接数值摹拟将是今后湍流研究的基本工具之

一，能对湍流结构的成因及演化过程不断提供新的看法。

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(2)流动稳定性

流动稳定性研究流动从一种状态到另一种状态的转变机理，如

Rayleigh-Taylor不稳定、Helmholtz不稳定、Got1er不稳定等，特

别是一些与工程技术有关的典型剪切流动(包括边界层、槽流、管流、

射流、尾流)从层流到湍流的转报则是最重要的研究稳定性的领域。

上述稳定性问题的线性理论'也已成熟。但是这些理论往往要用平行流

假设，这对于边界层流、自由剪切流情况并不合适，导致临界雷诺数

与实际不符，所以要考虑非平行性对扰动演化的影响；人们不仅要研

究扰动的自发演化过程，而且要考虑外界挑动如声激发对流动中扰动

发展的影响，这就是receptivity问题;近年来在分析时间模式或者

空间模式时，发现二者与实际情况均有差异，从而提出了绝对不稳

定与迁移不稳定的概念。

流动稳定性的研究成果不断得到开辟和应用，如:Saffman界面

不稳定应用于二次采油，Benjamin-Feir不稳定应用于风浪生成与发

展，Marangoni对流不稳定应用于晶体生长等。

(3)混沌

流体力学中混沌现象的发现被认为是本世纪自然科学发展中重

大事件之一。确定性的流动因为随初值敏感而可以浮现极其复杂和混

乱的现象，这不仅从根本上改变了人们对牛顿力学的看法，即经典力

学的内涵远远没有被充分认识，而且也深深影响了人们的自然观。由

此可见，今后的混沌研究对流体力学的学科发展以及实际应用将会产

生难以预料的作用。

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(4)水波动力学

水波动力学是流体力学中古老而经典的分支，近30年来再度成

为十分活跃的领域。60年代在研究固体热传导时发现了孤立子现象，

即两个孤波在非线性相互作用后保持波形不变的特性。接着重新导出

了水波的KdV方程并发现了孤立子。此后，为求解非线性波方程提出

了有一定普遍意义的反演散射法，Lax为此给出了能够应用此法求解

的条件。

目前，对水波动力学的非线性现象的研究已经相当广泛，例如：

强迫孤立子，先导孤立子，分层流、旋转流和变截面流中的孤立子，

波的失稳而导致分岔，振动激励容器中波的共振引起的分岔和混沌

等。

由于国际上开辟海洋和减轻自然灾害的需要，普遍加强了非线性

波的研究和应用。60年代，0.M.Phillips从湍流的级串现象得到启

示，提出了波-波相互作用的原理，并应用于海洋上波浪谱的演化，

对于由风输入的能量以及因底部磨擦与波浪破碎引起的耗散过程的

认识也在深化；在此基础上，发展了第三代风浪预报模式(WAM),可

成功地预报全球与区域的海况。为适应海洋离岸工程结构设计的需

要，有关波流相互作用、波与结构的相互作用与波与海底的相互作用

等的研究对海洋平台的振荡、波浪在浅水区的衰减、海底基础稳定性

等的认识和预报有着重大的意义。

(5)涡动力学

“流体经不住搓，一搓就搓出了涡”，这句话简明而生动地概括

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了流体及其运动的本身。边界层和击波层内速度剧变，于是是旋涡的

集中区；流体绕过物体形成为了起动涡、分离涡和脱落泯等；层流向

湍流的转撅是旋涡运动的失稳；湍流运动实际上是各种大小涡结构

的相互作用和转化。所以旋涡是流动中最普遍的基本运动成份，涡

量是描述流动的一个基本量。60年代以来涡动力学成为流体动力

学中的一个活跃的研究领域。

经典的理想流体力学中的涡量守恒定理保证，只要跟踪每一个

质

团，随时计算其他质团的旋涡对这一质团的诱导速度，便能求出全部

流场随时间的变化c这就是最早的涡动力学方法。

近20年来涡动力学的数值摹拟有了较快的发展，值得重视的是离散

涡法和积分方程法。用离散涡法能摹拟理想流体运动，但还不能满意

地摹拟粘性效应。积分方程法采用有限元或者边界元对积分形式的流

体力学方法离散求解，精度较高，很有发展前途。

涡动力学的主要发展趋势有：理论体系的完善，涡的稳定性与混

沌，分离流，湍流中的涡结构，波涡相互作用，涡声，涡的破裂和重

联等。

(6)复杂流场计算

这里所指的复杂流场是指:具有多种流动状态或者结构的流场、

多种物理效应并存的流场等，例如波和涡相互作用的流场、激波和

附面层相互干扰的流场、湍流脉动噪声等。

由于工程要求越来越高，特殊是超声速大型客机、现代航天器和航天

飞机的发展要求，需要精确的全机计算。近十年来浮现了不少有名的

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关于全机(包括航天飞机)绕流、有化学反应气流绕全机的计算工作。

这些工作都利用了超级计算机，为复杂流场的计算指出了方向。

计算复杂流场一方面需要发展具有高分辨力的计算方法和具有

高分辨力的流动显示及量测技术；另一方面还要求对单一的非线线

的基本流动规律有更深入的认识。否则对计算结果的分析和总结仍会

束手无策，甚至难辨真伪。所以，这也是发展的趋势。

(7)多相流

在工程技术中存在大量的多相流问题，如风沙、水流中的泥沙、

气水中污染物的迁移、煤粉输运、反应器中的多相流、飞行器穿过云

层时水晶和水滴的运动等，这些多相流往往不是各相均匀分布的，而

浮现稀密分区的现象。

近年来已经浮现一些从流动稳定性的分析来得到无量纲的稳定

性条件的较好的工作。更多的工作还是结合现场实测到的经验规律，

设计和进行合适的室内模型试验，用量纲分析方法整理出半经验的公

式。在计算方法方面，浮现了多种粒子元技术，如蒙特卡罗

(Monte-Carlo)方法、玻尔兹曼格子气方法等，对于某些流动图案

或者机制可以做出定性的说明。随着计算机技术和并行算法的飞速

发展，用这些方法进行定量计算的日子也不会太遥远了。

(8)非平衡流

非平衡流的研究主要有两个方面，即新一代航天器周围高温空气

非平衡效应以及能源、化工等工艺流程中的燃烧、相变、化学反应等

过程。它们的共同特点是流体力学与化学反应速率过程的耦合，前者

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的介质是空气，而后者的介质则多种多样，往往包含多相介质和相变。

80年代航天器的速度高达10km/s,空气动力加热引起的高温使空气

的转动、振动能态得到激发，产生离解，进而激发电离和辐射。由于

加热发生在高空的低密度区，松弛时间和流动特征时间相近，非平衡

效应主要发生在稀薄气体和连续介质间的过渡区。在这一区内，计及

化学反应和热辐射的份子运动论还很不完备，还不能达到求解非平衡

流的水平。即使在连续介质框