流體力學(xué)的發(fā)展趨勢21162P21Sm

流

體

力

學(xué)

的

發(fā)

展

趨

勢

21162P21

呂鵬

2022.3

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流體力學(xué)的發(fā)展趨勢21162P21呂鶴

定義

流體力學(xué)，是研究流體（液體溫和體）的力學(xué)運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用

的學(xué)科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和

固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動形態(tài)之間的相互作用的力

學(xué)分支。流體力學(xué)是力學(xué)的一個重要分支，它主要研究流體本身的靜

止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運(yùn)動時的相互作用

和流動的規(guī)律。在生活、環(huán)保、科學(xué)技術(shù)及工程中具有重要的應(yīng)用價

值。

重要性

上上個世紀(jì)在運(yùn)河河道中發(fā)現(xiàn)的孤立波在60年代得到了徹底的

解決，既推動了力學(xué)和數(shù)學(xué)的發(fā)展，也迅速導(dǎo)致在其它學(xué)科如光學(xué)、

聲學(xué)中發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象?，F(xiàn)在孤立波（光學(xué)中稱孤立子）已成為了光通

信的基石。上世紀(jì)60年代，為探索為何基于流體力學(xué)方程的數(shù)值

天氣預(yù)報只能準(zhǔn)確到很少幾天，通過簡化這組方程之后，得到了現(xiàn)

在已十分著名的Lcrenz方程。數(shù)值計算表明，它的解對初值十分敏

感，以致一定時間之后，其值變得幾乎徹底不可預(yù)測的了。這一發(fā)

現(xiàn)開辟了混沌研究新領(lǐng)域，奠定了非線性科學(xué)的基礎(chǔ)。這一事實還

說明，流體力學(xué)方程（NS方程）的內(nèi)涵十分深邃，對它的了解還遠(yuǎn)不

是充分的。水波中各種波的非線性作用的研究，也豐富了非線性科

學(xué)的內(nèi)容。凡此種種，顯示出了本世紀(jì)流體力學(xué)在科學(xué)發(fā)展中的作用。

流體力學(xué)在工程技術(shù)中的作用，更是有目共睹的。飛機(jī)的飛行速度得

以超過聲速，是空氣動力學(xué)發(fā)展的結(jié)果。人類登月的成功，大型火箭

和航天飛機(jī)的

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流體力學(xué)的發(fā)展趨勢21162P21呂鶴

實現(xiàn)，需要解決成千上萬個前所未有的難題，而力學(xué)問題往往首當(dāng)其

沖。為此形成為了高超聲速氣動力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)，稀薄氣體

力學(xué)等一系列新的分支學(xué)科，并極大地推動了計算科學(xué)的發(fā)展。為

解決噴氣機(jī)的噪聲問題，提出了流體噪聲理論，它徹底不同于經(jīng)典

的聲學(xué)理論。各種高速、高機(jī)動性和高敏捷性的軍用匕機(jī)和安全、

舒適的大型民航機(jī)的研制成功，同樣需要流體力學(xué)提供的新思想和新

成果。70年代興起的海上采油工業(yè)，若沒有流體力學(xué)的研究成果為依

據(jù)，設(shè)計、建造單臺價值超過10億美元的海上采油平臺是不可能的。

巨型船舶、高性能潛艇及各種新型船舶的研制中，流體力學(xué)問題仍

是首先要加以解決的。其它如地下油氣開采也得益于流體力學(xué)的指

導(dǎo)。大型水利樞紐的設(shè)計和建造，離開了水力學(xué)是不可能的。各種大

型建造物，如火電站的冷卻塔和大跨度橋梁等遭風(fēng)載破壞的教訓(xùn)，

引起了力學(xué)和工程界的密切關(guān)注，形成為了風(fēng)工程這門新的學(xué)科。大

型汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及渦噴發(fā)動機(jī)等現(xiàn)代動力機(jī)械的研制，提出了

許多新的流體力學(xué)問題，形成為了獨特的翼柵及內(nèi)流理論，其中還

伴有高溫、化學(xué)反應(yīng)、多相等復(fù)雜因素，總而言之，沒有流體力學(xué)的

發(fā)展，本世紀(jì)的許多工程技術(shù)，特殊是高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。

流體力學(xué)在取得巨大發(fā)展的同時，也留下了一些仍待解決的問題。不

盡快地將它們解決，必然對科學(xué)及工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來艱難。

同時，技術(shù)的發(fā)展是無止境的。僅就交通運(yùn)輸為例，無論是空中、

水上水下，還是陸地上的交通工具都在朝著更大、更快、更安全、

更舒適的方向發(fā)展，新問題將層出不窮。第一個大問題是湍流。本世

紀(jì)初，空天飛機(jī)和新一代的超

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聲速民航機(jī)的成功研制將首先取決于流體力學(xué)的發(fā)展。在有關(guān)的高溫

空氣動力學(xué)中必須拋卻原先的熱力學(xué)平衡的假定。吸氣式發(fā)動機(jī)中

H202在超聲速流動狀態(tài)下的混合、點火等，都是過去的理論和實踐

未能解決的難題。超聲速流邊界層的控制、減阻以及降噪控制等也帶

來一系列新問題。船舶除了向更大、更快的方向發(fā)展外，還提出了許

多新型船舶，包括貼近水面航行、必要時可升空飛行或者降在水面上

的大型沖翼艇。這時計算各種航態(tài)和海況下的波載荷，將遇到極大

的困難。由于波載計算不許而導(dǎo)致在惡劣海況下失事，即使對現(xiàn)代

的常規(guī)船舶也仍是屢見不鮮的。80年代末至今已有10余艘船在北

海失事。從流體力學(xué)的角度看，沖翼艇的艱難主要在于有事先未定

的自由表面，表面邊界條件的非線性，波浪的隨機(jī)性，水表層為湍

流，以及流體與船舶運(yùn)動相耦合等。風(fēng)浪相互作用機(jī)制，至今尚未

弄清，而它是天氣預(yù)報這種全球性問題的重要環(huán)節(jié)，也是近年來正

在探索的通過遙測水面波參數(shù)以測量近水面風(fēng)速這一新技術(shù)的基礎(chǔ),

這個問題的突破將大大改進(jìn)采集全球氣象數(shù)據(jù)的廣度和精度。海面

波浪參數(shù)的遙測數(shù)據(jù)還有可能用以探測潛航的潛艇及海流，但這要

開辟傳統(tǒng)波浪理論未涉及的有旋流對波浪的影響這一新的領(lǐng)域。為

了盡可能多地開采地下油氣，需要深入研究滲流機(jī)理并將其定量化。

滲流的研究還有助于了解植物體內(nèi)液體的運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而了解各種新

陳代謝的宏觀機(jī)制?；ち鞒痰脑O(shè)計，在相當(dāng)大的程度上可歸結(jié)為

流體運(yùn)動的計算問題，包括多相流及非牛頓流。由于流動的復(fù)雜性,

不少重要化工裝置的設(shè)計帶有不少經(jīng)驗因素，以致不能發(fā)揮最大效

益。于是針對若干典型化工

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流體力學(xué)的發(fā)展趨勢21162P21呂昭

裝置進(jìn)行深入研究，將為化工設(shè)計提供新方法，實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

在未來生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的過程中，會遇到類似或者更復(fù)雜的情況，于

是

這方面的研究是真正形成生物技術(shù)工業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)。

發(fā)展趨勢

一方面以湍流機(jī)制為核心的若干基本問題將繼續(xù)受到重視；另

一方面為促進(jìn)國家建設(shè)和社會進(jìn)步，主要力量將會集中于研究與解決

具有明確應(yīng)用目標(biāo)的應(yīng)用基礎(chǔ)課題。今后10至20年，流體力學(xué)大體味

沿以下幾個方向發(fā)展：

(1)湍流

流體力學(xué)中最普遍的現(xiàn)象是湍流，而湍流機(jī)制則是最基本的問

題，曾經(jīng)吸引眾多的力學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家從事研究，如：普朗特,

柯莫戈羅夫Kolmogorov),蘭道(Landau)等。經(jīng)過多代人的研究，

經(jīng)歷了唯象理論、統(tǒng)計理論、模式理論直至今天的直接數(shù)值摹擬等階

段，對這一問題的認(rèn)識已大為深化。

近年來運(yùn)用運(yùn)動穩(wěn)定性理論已經(jīng)能夠解釋自由剪切流中相干結(jié)

構(gòu)的成因。邊界層內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和演化機(jī)制則要復(fù)雜得多，尚需

作深入的研究。

由于計算機(jī)和計算方法的發(fā)展，近20年來湍流的直接數(shù)值摹擬

取得了驚人的發(fā)展。因為它不包含人為假設(shè)和經(jīng)驗常數(shù)而能描述各種

尺度渦結(jié)構(gòu)的演化，在槽道流中顯示了從層流到充分發(fā)展湍流的完整

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的轉(zhuǎn)挨過程，可以認(rèn)為直接數(shù)值摹擬將是今后湍流研究的基本工具之

一，能對湍流結(jié)構(gòu)的成因及演化過程不斷提供新的看法。

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(2)流動穩(wěn)定性

流動穩(wěn)定性研究流動從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變機(jī)理，如

Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定、Helmholtz不穩(wěn)定、Got1er不穩(wěn)定等，特

別是一些與工程技術(shù)有關(guān)的典型剪切流動(包括邊界層、槽流、管流、

射流、尾流)從層流到湍流的轉(zhuǎn)報則是最重要的研究穩(wěn)定性的領(lǐng)域。

上述穩(wěn)定性問題的線性理論'也已成熟。但是這些理論往往要用平行流

假設(shè)，這對于邊界層流、自由剪切流情況并不合適，導(dǎo)致臨界雷諾數(shù)

與實際不符，所以要考慮非平行性對擾動演化的影響；人們不僅要研

究擾動的自發(fā)演化過程，而且要考慮外界挑動如聲激發(fā)對流動中擾動

發(fā)展的影響，這就是receptivity問題;近年來在分析時間模式或者

空間模式時，發(fā)現(xiàn)二者與實際情況均有差異，從而提出了絕對不穩(wěn)

定與遷移不穩(wěn)定的概念。

流動穩(wěn)定性的研究成果不斷得到開辟和應(yīng)用，如:Saffman界面

不穩(wěn)定應(yīng)用于二次采油，Benjamin-Feir不穩(wěn)定應(yīng)用于風(fēng)浪生成與發(fā)

展，Marangoni對流不穩(wěn)定應(yīng)用于晶體生長等。

(3)混沌

流體力學(xué)中混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展中重

大事件之一。確定性的流動因為隨初值敏感而可以浮現(xiàn)極其復(fù)雜和混

亂的現(xiàn)象，這不僅從根本上改變了人們對牛頓力學(xué)的看法，即經(jīng)典力

學(xué)的內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被充分認(rèn)識，而且也深深影響了人們的自然觀。由

此可見，今后的混沌研究對流體力學(xué)的學(xué)科發(fā)展以及實際應(yīng)用將會產(chǎn)

生難以預(yù)料的作用。

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流體力學(xué)的發(fā)展趨勢21162P21呂鵬

(4)水波動力學(xué)

水波動力學(xué)是流體力學(xué)中古老而經(jīng)典的分支，近30年來再度成

為十分活躍的領(lǐng)域。60年代在研究固體熱傳導(dǎo)時發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象，

即兩個孤波在非線性相互作用后保持波形不變的特性。接著重新導(dǎo)出

了水波的KdV方程并發(fā)現(xiàn)了孤立子。此后，為求解非線性波方程提出

了有一定普遍意義的反演散射法，Lax為此給出了能夠應(yīng)用此法求解

的條件。

目前，對水波動力學(xué)的非線性現(xiàn)象的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛，例如：

強(qiáng)迫孤立子，先導(dǎo)孤立子，分層流、旋轉(zhuǎn)流和變截面流中的孤立子，

波的失穩(wěn)而導(dǎo)致分岔，振動激勵容器中波的共振引起的分岔和混沌

等。

由于國際上開辟海洋和減輕自然災(zāi)害的需要，普遍加強(qiáng)了非線性

波的研究和應(yīng)用。60年代，0.M.Phillips從湍流的級串現(xiàn)象得到啟

示，提出了波-波相互作用的原理，并應(yīng)用于海洋上波浪譜的演化，

對于由風(fēng)輸入的能量以及因底部磨擦與波浪破碎引起的耗散過程的

認(rèn)識也在深化；在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了第三代風(fēng)浪預(yù)報模式(WAM),可

成功地預(yù)報全球與區(qū)域的海況。為適應(yīng)海洋離岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的需

要，有關(guān)波流相互作用、波與結(jié)構(gòu)的相互作用與波與海底的相互作用

等的研究對海洋平臺的振蕩、波浪在淺水區(qū)的衰減、海底基礎(chǔ)穩(wěn)定性

等的認(rèn)識和預(yù)報有著重大的意義。

(5)渦動力學(xué)

“流體經(jīng)不住搓，一搓就搓出了渦”，這句話簡明而生動地概括

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流體力學(xué)的發(fā)展趨勢21162P21呂鵬

了流體及其運(yùn)動的本身。邊界層和擊波層內(nèi)速度劇變，于是是旋渦的

集中區(qū)；流體繞過物體形成為了起動渦、分離渦和脫落泯等；層流向

湍流的轉(zhuǎn)撅是旋渦運(yùn)動的失穩(wěn)；湍流運(yùn)動實際上是各種大小渦結(jié)構(gòu)

的相互作用和轉(zhuǎn)化。所以旋渦是流動中最普遍的基本運(yùn)動成份，渦

量是描述流動的一個基本量。60年代以來渦動力學(xué)成為流體動力

學(xué)中的一個活躍的研究領(lǐng)域。

經(jīng)典的理想流體力學(xué)中的渦量守恒定理保證，只要跟蹤每一個

質(zhì)

團(tuán)，隨時計算其他質(zhì)團(tuán)的旋渦對這一質(zhì)團(tuán)的誘導(dǎo)速度，便能求出全部

流場隨時間的變化c這就是最早的渦動力學(xué)方法。

近20年來渦動力學(xué)的數(shù)值摹擬有了較快的發(fā)展，值得重視的是離散

渦法和積分方程法。用離散渦法能摹擬理想流體運(yùn)動，但還不能滿意

地摹擬粘性效應(yīng)。積分方程法采用有限元或者邊界元對積分形式的流

體力學(xué)方法離散求解，精度較高，很有發(fā)展前途。

渦動力學(xué)的主要發(fā)展趨勢有：理論體系的完善，渦的穩(wěn)定性與混

沌，分離流，湍流中的渦結(jié)構(gòu)，波渦相互作用，渦聲，渦的破裂和重

聯(lián)等。

(6)復(fù)雜流場計算

這里所指的復(fù)雜流場是指:具有多種流動狀態(tài)或者結(jié)構(gòu)的流場、

多種物理效應(yīng)并存的流場等，例如波和渦相互作用的流場、激波和

附面層相互干擾的流場、湍流脈動噪聲等。

由于工程要求越來越高，特殊是超聲速大型客機(jī)、現(xiàn)代航天器和航天

飛機(jī)的發(fā)展要求，需要精確的全機(jī)計算。近十年來浮現(xiàn)了不少有名的

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關(guān)于全機(jī)(包括航天飛機(jī))繞流、有化學(xué)反應(yīng)氣流繞全機(jī)的計算工作。

這些工作都利用了超級計算機(jī)，為復(fù)雜流場的計算指出了方向。

計算復(fù)雜流場一方面需要發(fā)展具有高分辨力的計算方法和具有

高分辨力的流動顯示及量測技術(shù)；另一方面還要求對單一的非線線

的基本流動規(guī)律有更深入的認(rèn)識。否則對計算結(jié)果的分析和總結(jié)仍會

束手無策，甚至難辨真?zhèn)?。所以，這也是發(fā)展的趨勢。

(7)多相流

在工程技術(shù)中存在大量的多相流問題，如風(fēng)沙、水流中的泥沙、

氣水中污染物的遷移、煤粉輸運(yùn)、反應(yīng)器中的多相流、飛行器穿過云

層時水晶和水滴的運(yùn)動等，這些多相流往往不是各相均勻分布的，而

浮現(xiàn)稀密分區(qū)的現(xiàn)象。

近年來已經(jīng)浮現(xiàn)一些從流動穩(wěn)定性的分析來得到無量綱的穩(wěn)定

性條件的較好的工作。更多的工作還是結(jié)合現(xiàn)場實測到的經(jīng)驗規(guī)律，

設(shè)計和進(jìn)行合適的室內(nèi)模型試驗，用量綱分析方法整理出半經(jīng)驗的公

式。在計算方法方面，浮現(xiàn)了多種粒子元技術(shù)，如蒙特卡羅

(Monte-Carlo)方法、玻爾茲曼格子氣方法等，對于某些流動圖案

或者機(jī)制可以做出定性的說明。隨著計算機(jī)技術(shù)和并行算法的飛速

發(fā)展，用這些方法進(jìn)行定量計算的日子也不會太遙遠(yuǎn)了。

(8)非平衡流

非平衡流的研究主要有兩個方面，即新一代航天器周圍高溫空氣

非平衡效應(yīng)以及能源、化工等工藝流程中的燃燒、相變、化學(xué)反應(yīng)等

過程。它們的共同特點是流體力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)速率過程的耦合，前者

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的介質(zhì)是空氣，而后者的介質(zhì)則多種多樣，往往包含多相介質(zhì)和相變。

80年代航天器的速度高達(dá)10km/s,空氣動力加熱引起的高溫使空氣

的轉(zhuǎn)動、振動能態(tài)得到激發(fā)，產(chǎn)生離解，進(jìn)而激發(fā)電離和輻射。由于

加熱發(fā)生在高空的低密度區(qū)，松弛時間和流動特征時間相近，非平衡

效應(yīng)主要發(fā)生在稀薄氣體和連續(xù)介質(zhì)間的過渡區(qū)。在這一區(qū)內(nèi)，計及

化學(xué)反應(yīng)和熱輻射的份子運(yùn)動論還很不完備，還不能達(dá)到求解非平衡

流的水平。即使在連續(xù)介質(zhì)框