20世纪,世界进入第三次工业技术革命,即电子和计算机时代,科学技术迅猛发展,新科学、新技术不断涌现。自从1907年第一架飞机在美国首飞成功,直到火箭、原子弹、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机,使世界进入了计算机时代和航天时代。航天器的研究需要大量流体力学的理论。因此,20世纪的流体力学进入了现代革命阶段,并使得古典流体力学和水力学走上了融为一体的道路,出现了一个新的应用学科——工程流体力学。
普朗特(L.Prandtl,1875—1953)建立了边界层理论,解释了阻力产生的机制。当时就像爱因斯坦提出的相对论一样,人们对此觉得不可理解。但现在回过来看一看,简直是一项划时代的贡献。之后他又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层,提出混合长度理论。1918—1919年,论述了大展弦比的有限翼展机翼理论,对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。
儒科夫斯基(Н.Е.Жуковский,1847—1921)从1906年起,发表了《论依附涡流》等论文,找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系,建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果,对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献,为近代高效能飞机设计奠定了基础。
卡门(T.vonKármán,1881—1963)在1911—1912年连续发表的论文中,提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论,人们称这种尾涡的排列为“卡门涡街”。1921年,由微分形式的边界层方程通过积分得出动量积分方程。由雷诺方程积分得到紊流的动量积分方程,但需要建立紊流切应力项的模型。在1930年的论文中,建议重叠层混合长度与离壁面的距离成比例,提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。此后,在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。
布拉休斯(H.Blasius)在1913年发表的论文中,提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式,并于1908年得出均匀流动下平板边界层的相似解。
布金汉(E.Buckingham)在1914年发表的《在物理的相似系统中量纲方程应用的说明》论文中,提出了著名的π定理,进一步完善了量纲分析法。
尼古拉兹(J.Nikuradze)在1933年发表的论文中,公布了他对沙粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果——尼古拉兹曲线,据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。后来,谢维列夫对实际钢管作了同样的试验,得出钢管的摩阻系数实验曲线。
柯列布鲁克(C.F.Colebrook)在1939年发表的论文中,提出了将紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。(www.daowen.com)
莫迪(L.F.Moody)在1944年发表的论文中,给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图——莫迪图。至此,有压管流的水力计算已渐趋成熟。
我国科学家的杰出代表钱学森(QianXuesen)早在1938年发表的论文中,便提出了平板可压缩层流边界层的解法——卡门—钱学森解法。他在空气动力学、航空工程、喷气推进、工程控制论等技术科学领域作出过许多开创性的贡献。
吴仲华(WuZhonghua)在1952年发表的《在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论》和在1975年发表的《使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法》两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论,至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。
周培源(ZhouPeiyuan)多年从事紊流统计理论的研究,取得了不少成果,1975年发表在《中国科学》上的《均匀各向同性湍流的涡旋结构的统计理论》便是其中之一。
庄逢甘(ZhuangFenggan)院士在流体力学的湍流基本特性研究中得出了湍流耗散定律。在激波绕射、高超音速等研究和旋涡形成的机理与控制方面取得突出成果。
张涵信(ZhangHanxin)院士在高超声速绕流、三维流动分离判据、旋涡沿轴向的分叉演化规律、横截面流态的拓扑规律,以及建立无波动、无自由参数的耗散差分计算体系和云粒子侵蚀实验模拟理论等方面作出突出贡献,并在航空航天飞行器设计和试验中发挥了重要作用。用摄动法成功地解决了当时国际上难以解决的钝头体高超声速绕流及其熵层问题,发展了钝头细长体绕流的熵层理论,提出了高超声速流动中第二激波形成的条件。首次提出了判定三维流动分离的数学条件;发现了三阶色散项和差分解在激波处出现波动的联系;提出了建立高分辨率差分格式的物理构思,并建立了无波动无自由参数的耗散(NND)差分算法。
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