2　流體流動(dòng)與輸送機(jī)械

2.1　流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史^［1］

古希臘的阿基米德建立了浮力定律等理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念，牛頓研究了流體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力，提出阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，同時(shí)針對(duì)黏性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力提出了牛頓黏性定律。之后，法國皮托發(fā)明了測(cè)量流速的皮托管；達(dá)朗貝爾對(duì)運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系；瑞士的歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中，建立了歐拉方程，利用微分方程組描述了無黏流體的運(yùn)動(dòng)；伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系，即伯努利方程。

歐拉方程和伯努利方程的建立，標(biāo)志著流體動(dòng)力學(xué)這一分支學(xué)科的建立，從此開始用微分方程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量定量研究流體運(yùn)動(dòng)。18世紀(jì)，位勢(shì)流理論有了很大發(fā)展，在水波、潮汐、渦旋運(yùn)動(dòng)、聲學(xué)等方面闡明了很多規(guī)律。法國拉格朗日對(duì)無旋運(yùn)動(dòng)、德國赫爾姆霍茲對(duì)渦旋運(yùn)動(dòng)做了研究。在上述研究中，流體的黏性并不起重要作用，所考慮的是無黏流體。

1823年納維（M.Navier）提出了流動(dòng)方程用于不可壓縮性流體，1845年斯托克斯（G.G.Stokes）改進(jìn)了該方程，后稱為納維-斯托克斯（N-S）方程，是描述流體流動(dòng)的基本方程。歐拉方程是N-S方程在黏度為零時(shí)的特例。然而，由于方程復(fù)雜，只有少數(shù)簡(jiǎn)單流動(dòng)才能求解。這種局面直到1883年雷諾（O.Reynolds）提出對(duì)流動(dòng)有決定性影響的無量綱數(shù)群（雷諾數(shù)）后才得以改觀。1880—1883年間雷諾進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)由層流向湍流的轉(zhuǎn)變發(fā)生在雷諾數(shù)為1800—2000之間，澄清了實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的混亂，對(duì)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究做出了重大貢獻(xiàn)。

普朗特等從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡(jiǎn)化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等角度建立了邊界層理論，能計(jì)算簡(jiǎn)單情形下邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和流體同固體間的黏性力。該理論明確了理想流體的適用范圍，又能計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。同時(shí)，普朗克提出了許多新概念，廣泛用于飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中。20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學(xué)家，開創(chuàng)了以無黏不可壓縮流體位勢(shì)流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論，闡明了機(jī)翼受到舉力，從而將比空氣重的飛機(jī)托上天空的原理。邊界層理論和機(jī)翼理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的重大進(jìn)展，使無黏流體理論同黏性流體的邊界層理論有機(jī)結(jié)合起來。20世紀(jì)40年代以后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，飛行器速度超過聲速，實(shí)現(xiàn)了航天飛行，使氣體高速流動(dòng)的研究進(jìn)展迅速。

20世紀(jì)40年代，關(guān)于炸藥或天然氣等介質(zhì)中發(fā)生的爆轟波 形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆后激波在空氣或水中的傳播，發(fā)展了爆炸波 理論。此后，流體力學(xué)出現(xiàn)了許多分支，如高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、稀薄空氣動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等。20世紀(jì)60年代，由于結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)的需要，出現(xiàn)了計(jì)算彈性力學(xué)問題的有限元法，后開始在流體力學(xué)中應(yīng)用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復(fù)雜的問題中，優(yōu)越性更加顯著。近年來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。

在高等學(xué)校中，流體力學(xué)是化學(xué)工程、航空、船舶、汽車、水利、環(huán)境工程、給水排水等多個(gè)學(xué)科和專業(yè)的必修內(nèi)容。