2　流體流動與輸送機械

2.1　流體力學發展簡史^［1］

古希臘的阿基米德建立了浮力定律等理論，奠定了流體靜力學的基礎。17世紀，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動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動速度的平方成正比，同時針對黏性流體運動時的內摩擦力提出了牛頓黏性定律。之后，法國皮托發明了測量流速的皮托管；達朗貝爾對運河中船只的阻力進行了實驗研究，證實了阻力同物體運動速度之間的平方關系；瑞士的歐拉采用了連續介質的概念，把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，利用微分方程組描述了無黏流體的運動；伯努利從經典力學的能量守恒出發，研究供水管道中水的流動，得到了流體定常運動下流速、壓力、管道高程之間的關系，即伯努利方程。

歐拉方程和伯努利方程的建立，標志著流體動力學這一分支學科的建立，從此開始用微分方程和實驗測量定量研究流體運動。18世紀，位勢流理論有了很大發展，在水波、潮汐、渦旋運動、聲學等方面闡明了很多規律。法國拉格朗日對無旋運動、德國赫爾姆霍茲對渦旋運動做了研究。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）提出了流動方程用于不可壓縮性流體，1845年斯托克斯（G.G.Stokes）改進了該方程，后稱為納維-斯托克斯（N-S）方程，是描述流體流動的基本方程。歐拉方程是N-S方程在黏度為零時的特例。然而，由于方程復雜，只有少數簡單流動才能求解。這種局面直到1883年雷諾（O.Reynolds）提出對流動有決定性影響的無量綱數群（雷諾數）后才得以改觀。1880—1883年間雷諾進行了大量實驗研究，發現管內流動由層流向湍流的轉變發生在雷諾數為1800—2000之間，澄清了實驗結果之間的混亂，對指導實驗研究做出了重大貢獻。

普朗特等從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數學論證和實驗測量等角度建立了邊界層理論，能計算簡單情形下邊界層內流動狀態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，又能計算物體運動時的摩擦阻力。同時，普朗克提出了許多新概念，廣泛用于飛機和汽輪機的設計中。20世紀初，飛機的出現極大促進了空氣動力學的發展，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學家，開創了以無黏不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論，闡明了機翼受到舉力，從而將比空氣重的飛機托上天空的原理。邊界層理論和機翼理論的建立和發展是流體力學的重大進展，使無黏流體理論同黏性流體的邊界層理論有機結合起來。20世紀40年代以后，由于噴氣推進和火箭技術的應用，飛行器速度超過聲速，實現了航天飛行，使氣體高速流動的研究進展迅速。

20世紀40年代，關于炸藥或天然氣等介質中發生的爆轟波 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，發展了爆炸波 理論。此后，流體力學出現了許多分支，如高超聲速空氣動力學、超聲速空氣動力學、稀薄空氣動力學、電磁流體力學、計算流體力學等。20世紀60年代，由于結構力學和固體力學的需要，出現了計算彈性力學問題的有限元法，后開始在流體力學中應用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復雜的問題中，優越性更加顯著。近年來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。

在高等學校中，流體力學是化學工程、航空、船舶、汽車、水利、環境工程、給水排水等多個學科和專業的必修內容。