流体力学的发展过程

流体力学的起源可以追溯到阿基米德对浮力的研究，以及文艺复兴时期达·芬奇有关波动、溅水、涡内速度分布、物体尾流中涡的形成、用流线形物体减少阻力等方面的研究。流体力学的初步形成大约在17世纪。1653年帕斯卡发现了静止液体的压强可以均匀地传遍整个流场的帕斯卡原理，还提出了流体静力学的基本公式。1678年牛顿用实验方法研究了运动平板所受的流动阻力，提出了流体的剪应力与速度梯度成正比的计算公式。1738年，伯努利对管流进行了大量的观察和测量，提出了著名的伯努利定理。这个定理是能量守恒定律的体现，确定了流体运动速度、流体压强和流体所处的高度之间的相互关系。在1775年欧拉提出了忽略粘性即理想流体的运动方程，拉普拉斯、拉格朗日等的工作将理想流体的研究推向高峰，他们的研究奠定了理想流体研究的理论基础。其后，海姆霍兹和汤姆逊提出的流体中的旋涡理论使理想流体的经典流体力学得到进一步完善。由于经典流体力学具有不能解决流动阻力的缺陷，人们在不断地探索粘性(实际)流体流动的规律。1827年纳维在理想流体欧拉运动方程中加上粘性项，后经过柯西、波松(1829)和维纳特(1843)等学者的研究，最后在1845年由斯托克斯完成粘性流体的运动微分方程，即后人所称的纳维—斯托克斯方程。同时有许多学者在实验方面进行研究。1883年雷诺进行了著名的雷诺实验，该实验揭示了流体流动存在两种不同阻力损失特点的流动状态。随着生产技术的不断进步，还有泊胥叶、达西、佛汝德等学者从流体的摩擦阻力方面进行了广泛的研究，他们的工作充实和完善了粘性流体力学。1904年普朗特提出的边界层理论从另一个角度展开了粘性流体力学的研究，这项理论的建立并结合实验流体力学的发展使流体流动时的阻力问题得到合理的解决，正因如此，普朗特本人被尊为现代流体力学的先驱。1910年儒可夫斯基用保角变换的方法获得了一种理想的翼型，以此为基础的机翼(叶栅)理论对飞机的性能上了一个新台阶，使得人类的航空事业得到飞速的发展，也对以叶栅为基础的涡轮机械、水力机械起了决定性作用。超音速飞机的出现、高超音速导弹的诞生、人造卫星和宇宙飞船的太空飞行，标志着主要以研究可压缩流体的气体动力学的成熟和完善，并成为流体力学大家族中的一个重要分支。总的来说，从19世纪末到20世纪，随着工程技术的进步，特别是航空技术的进步，使流体力学发展到一个新阶段，逐渐成为一门成熟的科学，也形成了一些新的分支。如宇宙航行的进展和新能源(核能和磁流体发电)的开发就形成了稀薄气体动力学、微重力流体力学和电磁流体力学等。

纵观流体力学的发展历史，可以看到流体力学是由于生产的需要而产生的，且随着生产的发展而发展。因此这门学科，在生产过程中和工程实际中有着广泛的应用。如水利工程中的农田水利、水力发电、水工建筑及施工、机电排灌等方面都与水的运动有关，都需要应用流体力学解决与水的运动规律有关的生产技术问题;电力工业中，不论是水电站、热电站，还是核电站和地热电站，其生产运行的工作介质都是水、气和油等流体，所有的动力设备的设计和运行都必须符合流体流动规律;航空航天工业中，飞机、火箭和导弹等各种飞行器的运行环境都在大气中，这些飞行器的设计和运行都必须符合空气动力学的基本原理;机械工业中，大量遇到的润滑、冷却、液压传动、气体传动以及液压和气体控制等问题都需要应用流体力学的原理加以解决;土木工程中的给水排水、采暖通风等行业，各种设施和设备都与水、气体等流体流动有关，在设计和施工中需充分利用流体力学的基本原理;化学工业中大部分化学工艺流程都伴随有化合物的化学反应、传质和传热的流动问题;石油工业中的油、气和水的渗流、自喷、抽吸和输送问题;海洋中的波浪、环流、潮汐和大气中的气旋、环流、季风等问题;以及在医学诊断和医药生产中所涉及的药物输送、血液流动等问题都是流体力学的问题，都需要根据流体力学的基本原理进行研究和解决。总的来说，流体力学是许多行业和部门必须应用和研究的一门重要学科，或者说当前很难找到一种行业，其发展与流体力学无关。也可以说，只要有流体的地方，就有流体力学的用武之地。

本书不可能具体讲述在上述行业中流体在各种具体的设施和设备中的流动规律，作为一本基础性和入门性教材，只能讲述基本的和共同性的流体流动规律。通过本课程的学习，力争使读者掌握流体力学的基本概念、基本原理、基本计算方法和基本实验技能，为各类后续课程的学习打下坚实的基础，也为今后从事各种以流体为工作介质、工作对象的生产和研究工作奠定必要的理论基础。