液体动力学发展

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风流知音【流体力学微教材】液体动力学发展 CFDJC(2017)1007

液体动力学发展

刘沛清

北京航空航天大学

前言

刘沛清，人称沛公，1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今，任教育部流体力学重点实验室责任教授，博士生指导教师。2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事，中国力学学会流动显示委员会副主任委员，全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人，国家级航空航天实验教学示范中心主任，空气动力学学报编委。

风洞（wind tunnel）设备是试验空气动力学和飞行器研制最广泛使用的一种管道型的装置。其是通过一种管状设备，可人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可测量气流对物体的运动与作用力。风洞设备是几乎所有飞机和导弹在研制过程中都需要经过试验的设备，而且随着航空和航天技术的发展，对风洞试验的要求也越来越高。随着计算机和数值计算技术的不断提高，风洞的测量技术和精度也在大幅度提高，同时风洞试验模拟的现象愈来愈复杂，研制新款飞机所需要的风洞试验时间，几乎是按指数规律随年代增长的。

刘沛清教授

液体动力学发展
液体动力学是研究液体处于静止及运动规律的学科，因主要研究介质是水，所以也有称水动力学。人类很早就开始研究液体的静止和运动的规律。人类早期由于治理洪水和开凿运河，总结了水的流动规律。例如墨翟(约公元前478～前392)及其**所作的《墨经》中就有这方面的论述。古希腊的阿基米德关于浮力的计算是力学的重要成就。我国都江堰位于四川省成都市都江堰市城西，坐落在成都平原西部的岷江上，始建于秦昭王末年(约公元前256～前251)，是蜀郡太守李冰父子在前人鳖灵开凿的基础上组织修建的大型水利工程（如图1所示），由分水鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口等部分组成，两千多年来一直发挥着防洪灌溉的作用，使成都平原成为水旱从人、沃野千里的"天府之国"，至今灌区已达30余县市、面积近千万亩，是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、仍在一直使用，以无坝引水为特征的宏大水利工程，凝聚着中国古代劳动人民勤劳、勇敢、智慧的结晶。
15～17世纪，达·芬奇、伽利略、E.托里拆利、B.帕斯卡、I.牛顿等用实验方法研究了水的静压力、大气压力、水的剪应力和孔口出流等问题。1643年，E.托里拆利证明了恒定孔口出流的基本规律，提出孔口出流速度与水头值的平方根成正比。

图1 渡江堰与李冰父子

十八世纪后，液体动力学得到快速发展。在欧拉导出的理想流体运动方程的基础上，对液体流动规律的研究可大致分为两类。一类是用数学方法进行比较严格的推导，获得一些对实际问题有指导意义的结果，液体动力学的理论基础（微元流理论）。另一类是对积分形式的一元流运动方程进行处理或对实验结果进行总结分析，使其结果用来解决工程技术问题，也就是水力学一元流理论（包括一元管流,也称为总流分析法）。对前一类研究作出重要贡献的主要科学家有:纳维、圣维南、斯托克斯、雷诺等对粘性流体运动微分方程的推导；拉格朗日建立速度势和流函数，并和柯西、格斯特纳等对波浪理论进行了研究；亥姆霍兹对涡旋运动给出研究；英国物理学家开尔文（Lord Kelvin 1824～1907，如图2所示）和英国物理学家瑞利（Rayleigh，1842～1919年）对波浪和流体运动稳定性进行了研究；儒科夫斯基对翼型的上举力和水击问题进行了研究等。1945年，英国数学家、力学家兰姆（如图3所示）在所著的《水动力学》一书总结了上述研究成果。

图2 英国物理学家开尔文
（Lord Kelvin 1824～1907）

图3 英国数学家和力学家兰姆
（Horace Lamb，1849～1934年）

对液体动力学研究做出主要贡献科学家要有：法国数学家、水利工程师皮托（Pitot,Henri 1695～1771年）发明了测量流速的皮托管；意大利物理学家、水力学家文丘里（Giovanni Battista Venturi，1746～1822年，如图4所示）设计出测量通过管道流量的文丘里管。

图4 意大利物理学家、水力学家文丘里
（Giovanni Battista Venturi，(1746～1822年）

J.斯米顿进行水车和风车试验；法国著名的物理学家、数学家和天文学家达朗贝尔（1717～1783年）建立拖曳水池进行潜水物体的阻力实验；1852年法国人雷什（F.Reech）通过观测波浪运动和船模试验，提出重力作用下的相似准则，英国学者弗汝德(William Froude，1810年～1879年，如图5所示)给出计算船舶摩擦阻力的方法。

图5 英国学者弗汝德(William Froude，1810年～1879年)

法国生理学家泊肃叶（Poiseuille，1799～1869 年）论述了血液的流动并给出毛细管对流动的阻力和流速分布规律的计算公式；法国工程师达西(Henry Darcy，1803年～1858年，如图6所示)进行渗流实验并得出液体通过多孔介质的运动规律。

图6 法国工程师达西(Henry Darcy，1803年～1858年)

法国水力学家谢才（A.Chezy，1718－1798年）建立了恒定明渠均匀流理论，针对河道和管道水流阻力根据边界的粗糙度确定系数，再由系数和经验公式求出流速和流量；爱尔兰工程师满宁（Manning，1889年）引入表征壁面影响的粗糙系数，建立了谢才系数与河道过水截面水力半径之间的经验关系，后来在此基础上人们发展了明渠恒定非均匀渐变流理论，提出水面线推算方法等；法国数学家、物理学家包达（Jean-Charles de Borda，1733–1799年，如图7所示)在试验研究的基础上，提出管道突扩引起的局部能量损失计算公式。

图7 法国物理学家包达（Jean-Charles de Borda，1733～1799年)

法国水力学家圣维南（Saint-Venant ，1797～1886年）建立了描述明渠非恒定一元渐变流的圣维南方程组（质量和动量守恒微分方程组），以后人们给出基于水深平均的非恒定二元渐变流的方程组。圣维南方程组属于一阶双曲型拟线性偏微分方程组。结合初始条件和边界条件联解该方程组便可求得未知函数。实践中常采用近似的计算方法,如特征线法、直接差分法、瞬态法、有限单元法等。数值求解发展迅速，这使明渠非恒定流理论广泛地用于防洪、灌溉、航运、发电、海涂围垦及环境保护等各项工程。其研究对象包括天然河流、人工渠道、河网、水库、湖泊、潮汐河口、港湾及城市下水道系统等。