（2006年武漢大學出版社出版的圖書）

《流體力學》是武漢大學出版社出版的圖書，作者是劉鶴年主編。

書名

自考教材03347 3347 流體力學 劉鶴年 武漢大學出版社 2006年

作者

劉鶴年主編

出版社

武漢大學出版社

定價

20.7 元

ISBN

7307049295

磁流體力學主要應用于三個方面：天體物理、受控熱核反應和工業(yè)。

磁流體力學天體物理、太陽物理和地球物理方面

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場，故磁流體力學首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發(fā)展和應用。當前，關于太陽的研究課題有：太陽磁場的性質和起源，磁場對日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無作用力場存在的可能性，太陽風與地球磁場相互作用產生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場的起源，等等。

磁流體力學受控熱核反應方面

受控熱核方應方面 這方面的應用有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。受控熱核反應的目的就是把輕元素組成的氣體加熱到足夠發(fā)生核聚變的高溫，并約束它足夠的時間，以使核反應產生的能量大于所消耗的能量。對氘、氚混合氣來說，要求溫度達到5000萬到1億開并要求粒子密度和約束時間的乘積不小于10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環(huán)形磁約束裝置）在受控熱核反應研究中顯出優(yōu)越性。美、蘇和一些西歐國家各自在托卡馬克的研究上取得進展，但只得到單項指標滿足勞孫條件的等離子體，沒有得到溫度、密度和約束時間都滿足勞孫條件的等離子體。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運行范圍都受穩(wěn)定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩(wěn)定性越差，所以必須開展對等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預測的磁流體力學研究，以期得到穩(wěn)定的并充分利用磁場的托卡馬克磁約束裝置。

磁流體力學工業(yè)方面

磁流體力學除了與開發(fā)和利用核聚變能有關外，還與磁流體發(fā)電密切聯系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機轉子，省去轉動部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15?20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發(fā)電裝罝的熱效率，必須運用磁流體力學來分析發(fā)電通道中的流動規(guī)律，傳熱、傳質規(guī)律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發(fā)電對產煤豐富的國家有重要意義，這種研究目前正向工業(yè)發(fā)電階段發(fā)展。蘇聯已實現天然氣磁流體發(fā)電。

用導電流體取代電動機轉子的設備，即用磁力驅動導電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學空間推進器（見電磁推進）。電磁泵已用于核能動力裝置中傳熱回路內液態(tài)金屬的傳輸，冶金和鑄造工業(yè)中熔融金屬的自動定量澆注和攪拌，化學工業(yè)中汞、鉀、鈉等有害和危險流體的輸送等方面。電磁推進研究用磁場力加速等離子體以期得到比化學火箭大得多的比沖。

飛行器再入大氣層時，激波、空氣對飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場可以控制對飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場裝置過重，這種設想尚未能實現。

磁流體力學其他

此外，電磁流量計、電磁制動、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學在工業(yè)應用上所取得的成就。

關于低溫等離子體技術，見等離于體的工業(yè)應用。

出現

流體力學是在人類同自然界作斗爭和在生產實踐中逐步發(fā)展起來的。中國有大禹治水疏通江河的傳說。秦朝李冰父子（公元前3世紀）領導勞動人民修建了都江堰，至今還在發(fā)揮作用。大約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統。

對流體力學學科的形成作出貢獻的首先是古希臘的阿基米德。他建立了包括物體浮力定理和浮體穩(wěn)定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。此后千余年間，流體力學沒有重大發(fā)展。

15世紀意大利達·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題。

17世紀，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是隨著經典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

發(fā)展

17世紀力學奠基人I. 牛頓研究了在液體中運動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關系。他對粘性流體運動時的內摩擦力也提出了以下假設：即兩流體層間的摩阻應力同此兩層的相對滑動速度成正比而與兩層間的距離成反比（即牛頓粘性定律）。

之后，法國H. 皮托發(fā)明了測量流速的皮托管；達朗貝爾對運河中船只的阻力進行了許多實驗工作，證實了阻力同物體運動速度之間的平方關系；瑞士的L. 歐拉采用了連續(xù)介質的概念，把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動；伯努利從經典力學的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗并加以分析，得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關系——伯努利方程。

歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標志，從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。

從18世紀起，位勢流理論有了很大進展，在水波、潮汐、渦旋運動、聲學等方面都闡明了很多規(guī)律。法國J.-L. 拉格朗日對于無旋運動，德國H. von 亥姆霍茲對于渦旋運動作了不少研究.上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體，所以這種理論闡明不了流體中粘性的效應。

理論基礎

將粘性考慮在內的流體運動方程則是法國C.-L.-M.-H. 納維于1821年和英國G. G. 斯托克斯于1845年分別建立的，后得名為納維-斯托克斯方程，它是流體動力學的理論基礎。

由于納維-斯托克斯方程是一組非線性的偏微分方程，用分析方法來研究流體運動遇到很大困難。為了簡化方程，學者們采取了流體為不可壓縮和無粘性的假設，卻得到違背事實的達朗伯佯謬——物體在流體中運動時的阻力等于零。因此，到19世紀末，雖然用分析法的流體動力學取得很大進展，但不易起到促進生產的作用。

與流體動力學平行發(fā)展的是水力學（見液體動力學）。這是為了滿足生產和工程上的需要，從大量實驗中總結出一些經驗公式來表達流動參量之間關系的經驗科學。

使上述兩種途徑得到統一的是邊界層理論。它是由德國L. 普朗特在1904年創(chuàng)立的。普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數學論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實際計算簡單情形下，邊界層內流動狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應用到飛機和汽輪機的設計中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統一。

飛機和空氣動力學的發(fā)展

20世紀初，飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進了流體力學在實驗和理論分析方面的發(fā)展。20世紀初，以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學家，開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論，闡明了機翼怎樣會受到舉力，從而空氣能把很重的飛機托上天空。機翼理論的正確性，使人們重新認識無粘流體的理論，肯定了它指導工程設計的重大意義。

機翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學的一次重大進展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結合起來。隨著汽輪機的完善和飛機飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴展了從19世紀就開始的，對空氣密度變化效應的實驗和理論研究，為高速飛行提供了理論指導。20世紀40年代以后，由于噴氣推進和火箭技術的應用，飛行器速度超過聲速，進而實現了航天飛行，使氣體高速流動的研究進展迅速，形成了氣體動力學、物理-化學流體動力學等分支學科。

分支和交叉學科的形成

從20世紀60年代起，流體力學開始了流體力學和其他學科的互相交叉滲透，形成新的交叉學科或邊緣學科，如物理-化學流體動力學、磁流體力學等；原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學就是一個例子。

以這些理論為基礎，20世紀40年代，關于炸藥或天然氣等介質中發(fā)生的爆轟波又形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播，發(fā)展了爆炸波理論。此后，流體力學又發(fā)展了許多分支，如高超聲速空氣動力學、超音速空氣動力學、稀薄空氣動力學、電磁流體力學、計算流體力學、兩相(氣液或氣固)流等等。

這些巨大進展是和采用各種數學分析方法和建立大型、精密的實驗設備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起，電子計算機不斷完善，使原來用分析方法難以進行研究的課題，可以用數值計算方法來進行，出現了計算流體力學這一新的分支學科。與此同時，由于民用和軍用生產的需要，液體動力學等學科也有很大進展。

20世紀60年代，根據結構力學和固體力學的需要，出現了計算彈性力學問題的有限元法。經過十多年的發(fā)展，有限元分析這項新的計算方法又開始在流體力學中應用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復雜問題中，優(yōu)越性更加顯著。21世紀以來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。