電流體力學(xué)

電流體力學(xué)的主要研究內(nèi)容有：電流體力學(xué)過程的數(shù)學(xué)描述、電介質(zhì)中導(dǎo)電性能研究、電流體力學(xué)的穩(wěn)定性分析以及電流體力學(xué)中的兩相流動(dòng)研究等。

應(yīng)用有如下幾個(gè)方面：

電流體力學(xué)電流體泵

通過電場(chǎng)力對(duì)流體介質(zhì)的電荷作用，并驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)的泵。這種泵的最大優(yōu)點(diǎn)是沒有運(yùn)動(dòng)部件，并且制造方便，結(jié)構(gòu)簡單。電流體泵在微機(jī)電系統(tǒng)，藥物輸送及微冷卻系統(tǒng)研究中得到重視。

電流體力學(xué)電流體在微重力領(lǐng)城的應(yīng)用

當(dāng)軸向電場(chǎng)力作用在液體圓住上時(shí)，它能使液柱穩(wěn)定性增強(qiáng)，延遲液柱失穩(wěn)。微重力條件下進(jìn)行的液橋?qū)嵞樧C明，施加軸向電場(chǎng)能夠顯著的提高液橋的穩(wěn)定性，延緩液橋的破碎。

電流體力學(xué)靜電霧化

靜電霧化技術(shù)是電流體力學(xué)的一個(gè)重要分支。電霧化是靜電庫侖力克服液體表面張力，導(dǎo)致液體破碎成細(xì)小霧滴的一個(gè)過程。電霧化技術(shù)具有很多優(yōu)越的特性，由于霧化后液滴帶電，庫侖斥力阻止了液滴的團(tuán)聚，使其更易穿透周圍的氣體介質(zhì)，同時(shí)帶電液滴的軌跡理論上是由電場(chǎng)決定的，可施加不同的電場(chǎng)來控制液滴的軌跡。而靜電霧化最具吸引力的特點(diǎn)是參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可產(chǎn)生各種不同尺度（1微米至1厘米）的、單分散的液滴。

19世紀(jì)末就已經(jīng)觀測(cè)到電場(chǎng)對(duì)單極性荷電氣體的運(yùn)動(dòng)有直接影響，發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)作用下液體電介質(zhì)中的離子拖曳現(xiàn)象及靜電霧化現(xiàn)象。瑞利研究了電場(chǎng)力作用下導(dǎo)電液體球的破碎，提出了著名的瑞利極限。

20世紀(jì)中葉，電流體力學(xué)開始了系統(tǒng)的研究。代表性的工作是1968年梅爾徹和G.I.泰勒研究了處在直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)中的液體薄層及液滴內(nèi)部的對(duì)流現(xiàn)象，總結(jié)出漏電介質(zhì)模型。即具有低電導(dǎo)率的介質(zhì)既不同于導(dǎo)體也不同于絕緣體，電場(chǎng)作用下界面上存在切向電場(chǎng)力。

其后，在電流體力學(xué)穩(wěn)定性的研究方面不斷取得進(jìn)展，20世紀(jì)90年代，納米技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使電流體力學(xué)研究在質(zhì)譜儀檢測(cè)、微流動(dòng)、納米材料制備等多種領(lǐng)域取得了重要成果，成為工業(yè)部門關(guān)注的熱點(diǎn)，不斷顯示出電流體力學(xué)巨大的潛在價(jià)值。

流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來的。古時(shí)中國有大禹治水疏通江河的傳說；秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動(dòng)人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用；大約與此同時(shí)，古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等等。

對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個(gè)貢獻(xiàn)的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間，流體力學(xué)沒有重大發(fā)展。

直到15世紀(jì)，意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥的飛翔原理等問題；17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場(chǎng)等概念，以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

17世紀(jì)，力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。他針對(duì)粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是，牛頓還沒有建立起流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實(shí)際情形還有較大的差別。

之后，法國皮托發(fā)明了測(cè)量流速的皮托管；達(dá)朗貝爾對(duì)運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)工作，證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系；瑞士的歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)；伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)，精心地安排了實(shí)驗(yàn)并加以分析，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程。

歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開始了用微分方程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)定量研究的階段。從18世紀(jì)起，位勢(shì)流理論有了很大進(jìn)展，在水波、潮汐、渦旋運(yùn)動(dòng)、聲學(xué)等方面都闡明了很多規(guī)律。法國拉格朗日對(duì)于無旋運(yùn)動(dòng)，德國赫爾姆霍茲對(duì)于渦旋運(yùn)動(dòng)作了不少研究……。

在上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體。這種理論當(dāng)然闡明不了流體中粘性的效應(yīng)。

19世紀(jì)，工程師們?yōu)榱私鉀Q許多工程問題，尤其是要解決帶有粘性影響的問題。于是他們部分地運(yùn)用流體力學(xué)，部分地采用歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行研究，這就形成了水力學(xué)，至今它仍與流體力學(xué)并行地發(fā)展。1822年，納維建立了粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基礎(chǔ)導(dǎo)出了這個(gè)方程，并將其所涉及的宏觀力學(xué)基本概念論證得令人信服。

這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時(shí)的特例。

普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等各個(gè)角度，建立了邊界層理論，能實(shí)際計(jì)算簡單情形下，邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時(shí)普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中去。

這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。

20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)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(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學(xué)家，開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢(shì)流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論，闡明了機(jī)翼怎樣會(huì)受到舉力，從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空。

機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識(shí)無粘流體的理論，肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。

機(jī)翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的一次重大進(jìn)展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來。隨著汽輪機(jī)的完善和飛機(jī)飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴(kuò)展了從19世紀(jì)就開始的，對(duì)空氣密度變化效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，為高速飛行提供了理論指導(dǎo)。

20世紀(jì)40年代以后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，飛行器速度超過聲速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了航天飛行，使氣體高速流動(dòng)的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動(dòng)力學(xué)、物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科。

以這些理論為基礎(chǔ)，20世紀(jì)40年代，關(guān)于炸藥或天然氣等介質(zhì)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(xué)又發(fā)展了許多分支，如高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、超音速空氣動(dòng)力學(xué)、稀薄空氣動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、兩相(氣液或氣固)流等等。

這些巨大進(jìn)展是和采用各種數(shù)學(xué)分析方法和建立大型、精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使原來用分析方法難以進(jìn)行研究的課題，可以用數(shù)值計(jì)算方法來進(jìn)行，出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科。與此同時(shí)，由于民用和軍用生產(chǎn)的需要，液體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科也有很大進(jìn)展。

20世紀(jì)60年代，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)的需要，出現(xiàn)了計(jì)算彈性力學(xué)問題的有限元法。經(jīng)過十多年的發(fā)展，有限元分析這項(xiàng)新的計(jì)算方法又開始在流體力學(xué)中應(yīng)用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復(fù)雜問題中，優(yōu)越性更加顯著。

近年來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。

從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)開始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透，形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科，如物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)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(xué)就是一個(gè)例子。

磁流體力學(xué)是結(jié)合經(jīng)典流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的方法，研究導(dǎo)電流體和磁場(chǎng)相互作用的學(xué)科，它包括磁流體靜力學(xué)和磁流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)分支。

磁流體靜力學(xué)研究導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)力作用于靜平衡的問題；磁流體動(dòng)力學(xué)研究導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)相互作用的動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)規(guī)律。磁流體力學(xué)通常指磁流體動(dòng)力學(xué)，而磁流體靜力學(xué)被看作磁流體動(dòng)力學(xué)的特殊情形。

導(dǎo)電流體有等離子體和液態(tài)金屬等。等離子體是電中性電離氣體，含有足夠多的自由帶電粒子，所以它的動(dòng)力學(xué)行為受電磁力支配。宇宙中的物質(zhì)幾乎全都是等離子體，但對(duì)地球來說，除大氣上層的電離層和輻射帶是等離子體外，地球表面附近(除閃電和極光外)一般不存在自然等離子體，但可通過氣體放電、燃燒、電磁激波管、相對(duì)論電子束和激光等方法產(chǎn)生人工等離子體。

能應(yīng)用磁流體力學(xué)處理的等離子體溫度范圍頗寬，從磁流體發(fā)電的幾千度到受控?zé)岷朔磻?yīng)的幾億度量級(jí)(還沒有包括固體等離子體)。因此，磁流體力學(xué)同物理學(xué)的許多分支以及核能、化學(xué)、冶金、航天等技術(shù)科學(xué)都有聯(lián)系。