流体力学(被预测2014诺奖的庄小威的父亲的《流体力学》就说“流体力学是研究流体的机械运动和力的作用规律的科学,而流体是流动性的变形体:国内的好教材见戴世强教授的博文说的北京大学吴望一教授的《流体力学》和刘应中、缪国平的《高等流体力学》(李大潜院士的《物理学与偏微分方程》的流体力学部分只参考吴望一教授的以及Alexandre ChorinJerrold Marsden合撰的这2本流体力学教材), 国际上被认为最好的教材是:普朗特的《流体力学概论》,巴切勒(George Batchelor)的《流体动力学引论》(有一篇纪念文章),《普朗特流体力学基础》(H.欧特尔等著;中文版由普朗特的博士陆士嘉的三个学生:朱自强、钱翼稷、李宗瑞翻译,钱学森、钱伟长、郭永怀院士的导师冯·卡门的导师就是普朗特,被称为现代流体力学奠基人)。当然,我身边也有被纽约时报评为流体力学领袖Donald R. F. Harleman合撰的《流体动力学》名著等。

至于海洋流体力学,在中国外籍院士见华人海洋流体力学和海洋学家的只有吴耀祖(另有一已逝世院士也搞些流体力学但其最重要的头衔是应用数学家)-如此吴耀祖院士可被称之为华人第一海洋博士如他“在流体力学的许多特别在水动力学基础理论及船舶水动力学”并2个院士学生Chiang Chung Mei梅强中院士写的《波动力学》和梓雄院士写的《性流体力学》就很经典。维基网见吴耀祖院士的导师是Paco Lagerstrom-但在此维基网页右上角方框底看到给出他的著名博士只有3-3人中有8个给海南来信表达非常愉快荣幸地担任海南琼州大学编委的剑桥大学Athanassios S. Fokas院士但却没有面华人第一海洋博士耀祖院士--确实这海南琼大编委Fokas之厉害如是世界322个高被引科学家之一其难得如这些人中一个Hubert Aaronson2005年已逝世的冶金工程专家-当然耀祖院士也极厉害

 

这页主要讲流体力学最基本的部分-粘性(有内摩察)流体力学和液体动力学。可参考曾在清华大学任教的章梓雄院士和清华大学水利系主任董曾南教授合撰的《粘性流体力学》(章梓雄院士国际水动力学学会主席,他一直从事粘性流动、波浪理论、水动力学问题的研究,董曾南教授国际水利工程与研究协会副主席-他研究的流体也主要是海水流);清华大学前后流体力学研究所所长朱克勤教授和春晓教授还合撰一本《粘性流体力学》也很不错,也可参考顾懋祥院士指导的博士论文“主体/附体接合部的粘性流动”等等(流体力学另一重要分支《磁流体力学》虽研究的流体对象不同-但其基本的研究流体的原理方法相同-可参考)

将粘性考虑在内的流体运动方程则是法国Navier纳维1821年和英国Stokes斯托克斯1845年分别建立的,后得名为纳维-斯托克斯方程,它是流体动力学的理论基础。 由于纳维-斯托克斯方程是一组非线性的偏微分方程,用分析方法来研究流体运动遇到很大困难。

与流体动力学平行发展的是水动力学液体动力学中国船舶科学研究中心就主办《液体力学杂志B》以及《水动力学研究与进展A等,正如这博士论文说“非线性波浪理论是目前船舶和海洋工程水动力学的热点研究问题-可见水动力学包含非线性波浪等这里的许多热点课题)。这是为了满足生产和工程上的需要,从大量实验中总结出一些经验公式来表达流动参量之间关系的经验科学。

使上述两种途径得到统一的是边界层理论。它是由德国L. 普朗特在1904年创立的。普朗特学派从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各个角度,建立了边界层理论,能实际计算简单情形下,边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克又提出了许多新概念,并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。这一理论既明确了理想流体的适用范围,又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。使上述两种情况得到了统一

 

液体运动受两个主要方面的影响:一是液体本身的特性;另一是约束液体运动的边界特性。根据这些特性的改变,液体动力学的主要研究内容有:
  理想液体运动可忽略粘性的液体称为理想液体。根据普朗特的边界层理论,在边界层以外的区域中,粘性力可以不予考虑,因此理想液体的运动规律在特定条件下仍可应用。在普朗特以前,在这一领域曾进行过很多研究。液体的压缩性很小;只有在几种情况下,如管道中的水击、水中声波、激波传播等,才要考虑液体的可压缩性。
  粘性液体运动有些液体(如润滑油)的粘性很大,分析这些液体流动状态时必须予以考虑。另外,分析船舶的摩擦阻力、边界层和波浪间的干扰、船舶和潜体的尾流等都必须考虑液体的粘性。
  空化液体流经压力足够低的区域时,就会气化并在液体内部或液固交界面上形成空泡。水中常含有直径从几十到几百微米的气泡(称为气核),有气核存在才会发生空化。空泡的溃灭产生冲击,引起边壁材料的剥蚀和破坏。
  多相流挟有固体颗粒、掺有气泡或兼有两者的液体流动称为多相流。最常见的有河道中的含沙水流(见泥沙运动);其次是掺气水流和发生空化后带有空泡的液体流动。气核能影响声波的传播,当水中所含的气核与水的体积比大于10-3,水中声速就会小于空气中的声速(纯水中的声速约为空气声速的五倍)
  非牛顿流体流动有些液体(如含沙量高的水)的剪应力和剪切变形速率不成线性关系,这些液体属于非牛顿流体。加入高分子聚合物的水也是非牛顿流体,这种流体对在其中运动的物体的阻力低得多(见非牛顿流体力学)。
  自由表面流动液体流动的部分边界可以是液体和空气的分界面,沿这一部分边界的压力接近常数。河道、渠道、海洋流动皆属于这一类型,称为无压流。自由表面流动的范围很广,包括明槽流、河道非定常流、波浪运动等。由于造船工程、水利工程的需要,自由表面流动的研究工作早已开始。海洋工程的发展,对这方面的研究又提出新的要求(见海洋结构物水动力学)。有时由于在液体流动区域中形成空腔而有局部和气体接触的自由表面,如鱼雷、导弹在水中运动时引起空化而形成的空腔、从空中进入水中时带入空气而形成的空腔、以及为了防止空蚀通入空气而形成的空腔等皆是。
  压力流液体四周都受固体边壁约束的流动称为压力流,又称满管流。水力机械和船舶螺旋桨的旋转叶片间的流动也是压力流。早期为了计算供水系统的流量分配而开始研究管流的特性。压力管道常和水力机械相连,因而出现弹性振动和水击问题。两层或多层密度不相同的液体可以形成分层流。密度差可以是由于液体不同(如水和石油)所引起,也可以是由于含盐、含沙量不同,或温度不同所引起。在石油开采,海水浸入,潜艇航行,水库排沙,电站冷却水的研究中,分层流是很重要的课题(见压力流异重流旋转流体和分层流体流动)。
  海洋物理学家黄锷院士发明的Hilbert-Huang Transformation(见HHT希尔伯特黄变换方法讯号处理法,完全改变以往对于非线性、非稳态讯号几乎束手无策的窘境,可应用于海浪分析、应力波谱分析及地震波谱分析,以及各种非稳定型之信息波分析。应用之广及其结果之精良,为国际学界所重视(在国内期刊网也见被我国科研广泛引用)。

(关于这学科书籍,普朗特的书虽古远些,但仍被多数人推崇是最经典的。其次上面George Batchelor的《流体动力学引论》也被很多人推崇,最近还设立以其命名的Batchelor Prize并获奖者是大师级流体力学家。据说这狂妄的Batchelor曾经一度以为湍流(紊流)问题可以在他手上终结。所以在整个40年代,他在湍流研究上特别努力。结果当然是大失所望,湍流太复杂、太不确定,一个Navier-Stokes方程,至今还没把解的存在性、唯一性和稳定性搞明白。在被湍流折磨得心力憔悴后,Batchelor50年代中期开始,逐渐把精力从科研转移到了写书,创办应用数学力学系和前面说的JFM杂志上来。另一个被湍流折磨死掉的大牛就是量子力学的奠基人之一海森堡(Heisenberg)。这家伙年轻的时候,也是靠着他的天才禀赋和灵感,胡乱猜了一个湍流 问题的解混得了博士学位,后半生也被湍流研究折磨而死,而且至死都念念不忘。苏联诺贝尔奖获得者朗道(Lev Landau)也在湍流上忽悠了一把,不过虽然他的解很漂亮,却是错的)

下面是普朗特的《流体力学概论》第三版的目录(这版由钱学森说若我一人顶五个师,此人能顶十个师的郭永怀翻译。在普朗特去世后,他的学生Klaus OswatitschKarl Wieghardt做了进一步增补的再版,此时郭永怀已逝世,由陆士嘉译这版但仍写郭永怀为第一译者,后也不断再版,于第九版绝这版;其后再由上面H.欧特尔进一步扩展增补名为《普朗特流体力学基础》的新版

第一章 液体和气体的平衡
§1.1 液体的特性
§1.2 应力的理论
§1.3 液体中的压力
§1.4 液体中的压力分布(重力不计)
§1.5 气体的特性
§1.6 重液体的平衡
§1.7 重气体的平衡
§1.8 大气压和液压的交互作用,液体压力计

§1.9 减压,气压计

§1.10 在其他力场中液体的平衡
§1.11 表面张力(毛细现象)
第二章 运动学。无粘性液体动力学

A.运动学
§2.1 表示运动的方法
§2.2 连续性

B. 无粘性液体动力学

§2.3 运动液体中的力,伯努利定理
§2.4 伯努利定理的推论
§2.5 运动流体中压力分布的进一步讨论

§2.6 两股流体的汇流。间断面。涡旋的形成

§2.7 间断面的进一步讨论。压力的测量

§2.8 均质无粘性流体运动的进一步讨论。无旋运动

§2.9 无旋运动的进一步讨论

§2.10 有环量的无旋运动,翼型的举力。Magnus效应

§2.11 无粘性流体的有旋运动。涡丝

§2.12 定常运动的动量定理

§2.13 关于动量定理的另一些例子
§2.14 速度脉动情况下流动的动量定理

§2.15 液体的表面波
§2.16 明渠里的水流

第三章 粘性流体的运动。湍流。流体阻力。实际应用
§3.1 粘性(内摩擦)

§3.2 动力相似性。Reynolds

§3.3 物体在粘性流体中的运动。Stokes公式

§3.4 湍流

§3.5 湍流的进一步研究

§3.6 涡旋的形成

§3.7 流动分离的防止

§3.8 二次流

§3.9 粘性起主导作用的流动

§3.10 轴承润滑的流体动力学

§3.11 等截面直管和渠道中的流动

§3.12 变截面渠道中的流动

§3.13 流体中运动物体的阻力

§3.14 流体阻力的流体力学理论

§3.15 关于流体阻力的实验结果

§3.16 翼型

§3.17 机翼理论

§3.18 机翼理论的实际应用。实验验证

§3.19 螺旋浆

§3.20 对螺旋浆的进一步讨论。风车。其他类型的螺旋浆

§3.21 水轮机、泵和压缩机

§3.22 流体力学和空气动力学的实验方法

第四章 有显著体积变化的流动(气体动力学)

前言

§4.1 压力的传播。声速

§4.2 一维定常可压缩流动

§4.3 有阻力情况下可压缩流的能量定理

§4.4 正激波理论

§4.5 有阻力的流动

§4.6 二、三维超声速流动。绕角的流动。气体射流

§4.7 二维超声速流动的一般近似法

§4.8 亚声速流动

§4.9 物体的超声速运动。弹体的阻力

§4.10 绕尖物体和翼型的二维超声速流动

§4.11 高速实验技术

第五章 其他课题

前言

A.几种物态的联合效应

§5.1 气蚀

§5.2 水锤。滑行面

§5.3 水和空气的混合物

§5.4 气流中的颗粒

§5.5 水流中的颗粒

§5.6 加速流体中的物体。流体动力远距作用

B.旋转物体和旋转坐标系

§5.7 基本原理。伯努利方程和几个具体问题

§5.8 地球旋转对大气中的无粘性流的影响

§5.9 摩擦风及类似的现象

§5.10 绕旋转圆盘的流动和阻力公式

C.分层流体在重力作用下的流动

§5.11 两种密度不同的流体

§5.12 密度的连续变化

§5.13 层化和地球的旋转的联合效应

§5.14 水平密度和速度梯度与地球旋转的联合效应。一般环流

D.运动流体中的传热。热所引起的流动

前言

§5.15 传热的一般原理。强迫流动的特例

§5.16 传热引起的密度差所产生的自然流动