力 學 概 述（六）

沙漠遷移、河流泥沙運動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運動等，都涉及流體中帶有固體顆粒或液體中帶有氣泡等問題，這類問題是多相流體力學研究的范圍。 等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場作用下有特殊的運動規(guī)律。研究等離子體的運動規(guī)律的學科稱為等離子體動力學和電磁流體力學，它們在受控熱核反應、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運動等方面有廣泛的應用。
風對建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發(fā)振動；廢氣和廢水的排放造成環(huán)境污染；河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕；研究這些流體本身的運動及其同人類、動植物間的相互作用的學科稱為環(huán)境流體力學 (其中包括環(huán)境空氣動力學、建筑空氣動力學)。這是一門涉及經典流體力學、氣象學、海洋學和水力學、結構動力學等的新興邊緣學科。
生物流變學研究人體或其他動植物中有關的流體力學問題，例如血液在血管中的流動，心、肺、腎中的生理流體運動和植物中營養(yǎng)液的輸送。此外，還研究鳥類在空中的飛翔，動物在水中的游動，等等。
因此，流體力學既包含自然科學的基礎理論，又涉及工程技術科學方面的應用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學、流體運動學和流體動力學；從對不同“力學模型”的研究來分，則有理想流體動力學、粘性流體動力學、不可壓縮流體動力學、可壓縮流體動力學和非牛頓流體力學等。
流體力學的研究方法
進行流體力學的研究可以分為現場觀測、實驗室模擬、理論分析、數值計算四個方面：
現場觀測是對自然界固有的流動現象或已有工程的全尺寸流動現象，利用各種儀器進行系統觀測，從而總結出流體運動的規(guī)律，并借以預測流動現象的演變。過去對天氣的觀測和預報，基本上就是這樣進行的。
不過現場流動現象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復出現，影響到對流動現象和規(guī)律的研究；現場觀測還要花費大量物力、財力和人力。因此，人們建立實驗室，使這些現象能在可以控制的條件下出現，以便于觀察和研究。
同物理學、化學等學科一樣，流體力學離不開實驗，尤其是對新的流體運動現象的研究。實驗能顯示運動特點及其主要趨勢，有助于形成概念，檢驗理論的正確性。二百年來流體力學發(fā)展史中每一項重大進展都離不開實驗。
模型實驗在流體力學中占有重要地位。這里所說的模型是指根據理論指導，把研究對象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實驗。有些流動現象難于靠理論計算解決，有的則不可能做原型實驗(成本太高或規(guī)模太大)。這時，根據模型實驗所得的數據可以用像換算單位制那樣的簡單算法求出原型的數據。
現場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現的事物、沒有發(fā)生的現象(如待設計的工程、機械等)進行觀察，使之得到改進。因此，實驗室模擬是研究流體力學的重要方法。
理論分析是根據流體運動的普遍規(guī)律如質量守恒、動量守恒、能量守恒等，利用數學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現象，預測可能發(fā)生的結果。理論分析的步驟大致如下：
首先是建立“力學模型”，即針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質的“力學模型”。流體力學中最常用的基本模型有：連續(xù)介質、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。
其次是針對流體運動的特點，用數學語言將質量守恒、動量守恒、能量守恒等定律表達出來，從而得到連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯系流動參量的關系式(例如狀態(tài)方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。
求出方程組的解后，結合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結果同實驗結果進行比較，以確定所得解的準確程度和力學模型的適用范圍。
從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數學問題，所以流體力學的發(fā)展是以數學的發(fā)展為前提。反過來，那些經過了實驗和工程實踐考驗過的流體力學理論，又檢驗和豐富了數學理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進行數學研究、發(fā)展數學理論的好課題。按目前數學發(fā)展的水平看，有不少題目將是在今后幾十年以內難于從純數學角度完善解決的。
在流體力學理論中，用簡化流體物理性質的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變量和減少未知函數等方法來簡化數學問題，在一定的范圍是成功的，并解決了許多實際問題。
對于一個特定領域，考慮具體的物理性質和運動的具體環(huán)境后，抓住主要因素忽略次要因素進行抽象化也同時是簡化，建立特定的力學理論模型，便可以克服數學上的困難，進一步深入地研究流體的平衡和運動性質。
20世紀50年代開始，在設計攜帶人造衛(wèi)星上天的火箭發(fā)動機時，配合實驗所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡化，才能及時得到指導設計的流體力學結論。
此外，流體力學中還經常用各種小擾動的簡化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學是流體力學中采用小擾動方法而取得重大成就的最早學科。聲學中的所謂小擾動，就是指聲音在流體中傳播時，流體的狀態(tài)(壓力、密度、流體質點速度)同聲音未傳到時的差別很小。線性化水波理論、薄機翼理論等雖然由于簡化而有些粗略，但都是比較好地采用了小擾動方法的例子。
每種合理的簡化都有其力學成果，但也總有其局限性。例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播；忽略了粘性就不能討論與它有關的阻力和某些其他效應。掌握合理的簡化方法，正確解釋簡化后得出的規(guī)律或結論，全面并充分認識簡化模型的適用范圍，正確估計它帶來的同實際的偏離，正是流體力學理論工作和實驗工作的精華。
流體力學的基本方程組非常復雜，在考慮粘性作用時更是如此，如果不靠計算機，就只能對比較簡單的情形或簡化后的歐拉方程或N-S方程進行計算。20世紀30～40年代，對于復雜而又特別重要的流體力學問題，曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數值計算，比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。
數學的發(fā)展，計算機的不斷進步，以及流體力學各種計算方法的發(fā)明，使許多原來無法用理論分析求解的復雜流體力學問題有了求得數值解的可能性，這又促進了流體力學計算方法的發(fā)展，并形成了“計算流體力學”。
從20世紀60年代起，在飛行器和其他涉及流體運動的課題中，經常采用電子計算機做數值模擬，這可以和物理實驗相輔相成。數值模擬和實驗模擬相互配合，使科學技術的研究和工程設計的速度加快，并節(jié)省開支。數值計算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。
解決流體力學問題時，現場觀測、實驗室模擬、理論分析和數值計算幾方面是相輔相成的。實驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無聯系的現象和實驗數據中得出規(guī)律性的結論。反之，理論分析和數值計算也要依靠現場觀測和實驗室模擬給出物理圖案或數據，以建立流動的力學模型和數學模式；最后，還須依靠實驗來檢驗這些模型和模式的完善程度。此外，實際流動往往異常復雜(例如湍流)，理論分析和數值計算會遇到巨大的數學和計算方面的困難，得不到具體結果，只能通過現場觀測和實驗室模擬進行研究。
流體力學的展望
從阿基米德到現在的二千多年，特別是從20世紀以來，流體力學已發(fā)展成為基礎科學體系的一部分，同時又在工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、天文學、地學、生物學、醫(yī)學等方面得到廣泛應用。
今后，人們一方面將根據工程技術方面的需要進行流體力學應用性的研究，另一方面將更深入地開展基礎研究以探求流體的復雜流動規(guī)律和機理。后一方面主要包括：通過湍流的理論和實驗研究，了解其結構并建立計算模式；多相流動；流體和結構物的相互作用；邊界層流動和分離；生物地學和環(huán)境流體流動等問題；有關各種實驗設備和儀器等。