2　流体流动与输送机械

2.1　流体力学发展简史^［1］

古希腊的阿基米德建立了浮力定律等理论，奠定了流体静力学的基础。17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念，牛顿研究了流体中运动的物体所受到的阻力，提出阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比，同时针对黏性流体运动时的内摩擦力提出了牛顿黏性定律。之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了实验研究，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，利用微分方程组描述了无黏流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，得到了流体定常运动下流速、压力、管道高程之间的关系，即伯努利方程。

欧拉方程和伯努利方程的建立，标志着流体动力学这一分支学科的建立，从此开始用微分方程和实验测量定量研究流体运动。18世纪，位势流理论有了很大发展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面阐明了很多规律。法国拉格朗日对无旋运动、德国赫尔姆霍兹对涡旋运动做了研究。在上述研究中，流体的黏性并不起重要作用，所考虑的是无黏流体。

1823年纳维（M.Navier）提出了流动方程用于不可压缩性流体，1845年斯托克斯（G.G.Stokes）改进了该方程，后称为纳维-斯托克斯（N-S）方程，是描述流体流动的基本方程。欧拉方程是N-S方程在黏度为零时的特例。然而，由于方程复杂，只有少数简单流动才能求解。这种局面直到1883年雷诺（O.Reynolds）提出对流动有决定性影响的无量纲数群（雷诺数）后才得以改观。1880—1883年间雷诺进行了大量实验研究，发现管内流动由层流向湍流的转变发生在雷诺数为1800—2000之间，澄清了实验结果之间的混乱，对指导实验研究做出了重大贡献。

普朗特等从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等角度建立了边界层理论，能计算简单情形下边界层内流动状态和流体同固体间的黏性力。该理论明确了理想流体的适用范围，又能计算物体运动时的摩擦阻力。同时，普朗克提出了许多新概念，广泛用于飞机和汽轮机的设计中。20世纪初，飞机的出现极大促进了空气动力学的发展，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家，开创了以无黏不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼受到举力，从而将比空气重的飞机托上天空的原理。边界层理论和机翼理论的建立和发展是流体力学的重大进展，使无黏流体理论同黏性流体的边界层理论有机结合起来。20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速。

20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波 形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波 理论。此后，流体力学出现了许多分支，如高超声速空气动力学、超声速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学等。20世纪60年代，由于结构力学和固体力学的需要，出现了计算弹性力学问题的有限元法，后开始在流体力学中应用，尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂的问题中，优越性更加显著。近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题，也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。

在高等学校中，流体力学是化学工程、航空、船舶、汽车、水利、环境工程、给水排水等多个学科和专业的必修内容。