本文關(guān)鍵詞：流體力學(xué)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

發(fā)展中所起的作用，這種現(xiàn)象有其深刻的背景。首先，流體運(yùn)動(dòng)是宏觀現(xiàn)象，最便于人類觀察和感知。而流體力學(xué)從本質(zhì)上講是非線性的，包含著極為豐富而至今還未被人認(rèn)識(shí)和理解的現(xiàn)象及規(guī)律。所以有理由相信，這種由流體力學(xué)中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律逐漸滲透到其他科學(xué)領(lǐng)域并最終形成具有普遍意義的理論的科學(xué)發(fā)展道路，今后仍將在整個(gè)自然科學(xué)的發(fā)展中繼續(xù)起著重要作用。
　　流體力學(xué)又是很多工業(yè)的基礎(chǔ)。最突出的例子是航空航天工業(yè)�？梢院敛豢浯蟮卣f(shuō)，沒(méi)有流體力學(xué)的發(fā)展，就沒(méi)有今天的航空航天技術(shù)。當(dāng)然，航空航天工業(yè)的需要，也是流體力學(xué)，特別是空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的最重要的推動(dòng)力。就以亞音速的民航機(jī)為例，如果坐在一架波音747飛機(jī)上，想一下這種有400多人坐在其中，總重量超過(guò)300噸，總的長(zhǎng)寬有大半個(gè)足球場(chǎng)大的飛機(jī)，竟是由比鴻毛還輕的空氣支托著，這是任何人都不能不驚嘆流體力學(xué)的成就。更不用說(shuō)今后會(huì)將出現(xiàn)更大、飛行速度更快的飛機(jī)。
　　同樣，也不可能想象，沒(méi)有流體力學(xué)的發(fā)展，能設(shè)計(jì)制造排水量超過(guò)50萬(wàn)噸的船舶，能建造長(zhǎng)江三峽水利工程這種超大規(guī)模工程，能設(shè)計(jì)90萬(wàn)kW汽輪機(jī)組，能建造每臺(tái)價(jià)值超過(guò)10億美元的海上采油平臺(tái)，能進(jìn)行氣候的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，等等。甚至天文上觀測(cè)到的一些宇宙現(xiàn)象，如星系螺旋結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理，也通過(guò)流體力學(xué)中形成的理論得到了解釋。近年來(lái)從流體力學(xué)的角度對(duì)魚類游動(dòng)原理的研究，發(fā)現(xiàn)了采用只是擺動(dòng)尾部（指身體大部不動(dòng)）來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)力的魚類，最好的尾型應(yīng)該是細(xì)長(zhǎng)的月牙型。這正是經(jīng)過(guò)幾億年進(jìn)化而形成的鯊魚和鯨魚的尾型，而這些魚類的游動(dòng)能力在魚類中是最好的。這就為生物學(xué)進(jìn)化方面提供了說(shuō)明，引起了生物學(xué)家的很大興趣。
　　所以很明顯，流體力學(xué)研究，既對(duì)整個(gè)科學(xué)的發(fā)展起了重要的作用，又對(duì)很多與國(guó)計(jì)民生有關(guān)的工業(yè)和工程，起著不可缺少的作用。它既有基礎(chǔ)學(xué)科的性質(zhì)，又有很強(qiáng)的應(yīng)用性，是工程科學(xué)或技術(shù)科學(xué)的重要組成部分。今后流體力學(xué)的發(fā)展仍應(yīng)二者并重。
　　展望下一世紀(jì)流體力學(xué)的發(fā)展，一方面以湍流機(jī)制為核心的若干基本問(wèn)題將繼續(xù)受到重視; 另一方面為促進(jìn)國(guó)家建設(shè)和社會(huì)進(jìn)步，主要力量將會(huì)集中于研究與解決具有明確應(yīng)用目標(biāo)的應(yīng)用基礎(chǔ)課題。今后10至20年，流體力學(xué)大體會(huì)沿以下三個(gè)方向發(fā)展:
（1）在基礎(chǔ)理論研究方面，湍流機(jī)制將仍然是注意的中心
　　對(duì)于流動(dòng)穩(wěn)定性和混沌的研究也將會(huì)以相當(dāng)大的比重與湍流研究相結(jié)合或者與之發(fā)生密切的聯(lián)系。近來(lái)發(fā)展非常迅速的各類流動(dòng)顯示技術(shù)和粒子成像測(cè)速法將對(duì)猝發(fā)、分離、失穩(wěn)，，以及各類渦的形成、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展、破裂、合并、重聯(lián)等現(xiàn)象和過(guò)程提供詳細(xì)的記錄，巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將為建立新的理論模型指出方向和依據(jù)。直接數(shù)值模擬可以摒棄對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，考慮到計(jì)算機(jī)性能的限度，需要發(fā)展高分辨率
的算法和并行計(jì)算技術(shù)，精心設(shè)計(jì)典型算例，將會(huì)提供更多新的現(xiàn)象和規(guī)律。研究湍流、混沌所遇到的數(shù)學(xué)困難在于N-S方程的非線性，采用攝動(dòng)展開(kāi)不失為解決弱非線性問(wèn)題的手段，但很有必要尋求新的表述方法和數(shù)學(xué)工具。針對(duì)不同類型的流動(dòng)特點(diǎn)，將會(huì)不斷構(gòu)造出新的理論模型，增強(qiáng)預(yù)測(cè)的能力。
（2）在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，需要加強(qiáng)流體力學(xué)的研究
　　在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面，除了繼續(xù)解決航空航天、航海、機(jī)械、水利、化工等方面的流體力學(xué)問(wèn)題，還將在普遍受到重視的能源、環(huán)境、材料以及高技術(shù)等領(lǐng)域中加強(qiáng)流體力學(xué)的研究。相當(dāng)數(shù)量的問(wèn)題是具有幾何形狀復(fù)雜、流體結(jié)構(gòu)多樣，還可能存在多相和反應(yīng)以及出現(xiàn)非平衡現(xiàn)象，值得提到的有超聲速燃燒，化學(xué)反應(yīng)流，高超聲速繞流等。不論是整體流場(chǎng)或是某一單元過(guò)程，數(shù)值模擬將會(huì)發(fā)揮重要作用。在某些典型問(wèn)題方面，如繞流、水波、可壓縮性波動(dòng)等，已經(jīng)發(fā)展了一批大型計(jì)算軟件，今后這一發(fā)展勢(shì)頭將會(huì)更快，它不僅可以滿足實(shí)用的需要，也是一種為理論研究服務(wù)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)。
（3）一些新的領(lǐng)域可能有大的發(fā)展
　　由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的需要，流體力學(xué)將會(huì)對(duì)全社會(huì)關(guān)心的生態(tài)環(huán)境的維護(hù)問(wèn)題發(fā)揮積極的作用，重點(diǎn)是研究陸氣、海氣界面過(guò)程，污染物的遷移，風(fēng)沙、泥沙、泥石流運(yùn)動(dòng)，以及農(nóng)業(yè)和工業(yè)中的水循環(huán)等。此外，與生物、地球和天文的結(jié)合也將會(huì)涌現(xiàn)重大的研究成果。
2.3.2 流體力學(xué)的發(fā)展概況
　　本世紀(jì)的流體力學(xué)取得多方面的重大進(jìn)展，特別是在本世紀(jì)下半葉，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)、數(shù)值計(jì)算手段和分析方法上的進(jìn)步，在多種非線性流動(dòng)以及力學(xué)和其他物理、化學(xué)效應(yīng)相耦合的流動(dòng)等方面呈現(xiàn)了豐富多采的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
　　在實(shí)驗(yàn)方面，已經(jīng)建立了適合于研究不同馬赫數(shù)、雷諾數(shù)范圍典型流動(dòng)的風(fēng)洞、激波管、彈道靶以及水槽、水洞、轉(zhuǎn)盤等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，發(fā)展了熱線技術(shù)、激光技術(shù)、超聲技術(shù)和速度、溫度、濃度及渦度的測(cè)量技術(shù)，流動(dòng)顯示和數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展使得大量數(shù)據(jù)采集、處理和分析成為可能，為提供新現(xiàn)象和驗(yàn)證新理論創(chuàng)造了條件。
　　計(jì)算流體力學(xué)發(fā)展極快。出現(xiàn)了有限差分、有限元、有限分析、譜方法和辛算法; 建立了較完整的理論體系，即穩(wěn)定性理論、數(shù)值耗散和色散分析、網(wǎng)格生成和自適應(yīng)技術(shù)、迭代和加速收斂方法; 提出了求解自由邊界問(wèn)題的多種拉格朗日和歐拉的混合方法，計(jì)算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場(chǎng)的高精度格式等。目前，計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)成為流體力學(xué)各分支中不可缺少的工具。
　　分析方法的主要進(jìn)步當(dāng)首推漸近展開(kāi)法的日趨成熟，多種漸近法（如匹配展開(kāi)法、多重尺度法、平均變分法等）被廣泛運(yùn)用于求解弱非線性問(wèn)題。純粹數(shù)學(xué)中的泛函、群論、拓?fù)鋵W(xué)，尤其是微分動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展為研究非線性問(wèn)題提供了有效的手段。
　　本世紀(jì)對(duì)流體力學(xué)中的一些基本流動(dòng)現(xiàn)象的研究取得了可喜的進(jìn)步，下面將分別敘述在湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、混沌、非線性波、渦運(yùn)動(dòng)、
�。�1）湍流
　　流體力學(xué)中最普遍的現(xiàn)象是湍流，而湍流機(jī)制則是最基本的問(wèn)題，曾吸引眾多的力學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家從事研究，如: 普朗特，柯莫戈羅夫Kolmogorov），蘭道（Landau）等。經(jīng)過(guò)多代人的研究，經(jīng)歷了唯象理論、統(tǒng)計(jì)理論、模式理論直至今天的直接數(shù)值模擬等階段，對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)已大為深化。
　　40年代周培源指出必須同時(shí)聯(lián)立求解平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并提出用逐級(jí)近似求解的方法來(lái)克服方程不封閉的困難。80年代周培源又提出“準(zhǔn)相似性”條件使方程封閉，而且采用數(shù)值迭代法得到和實(shí)驗(yàn)相符的新結(jié)果。目前的工程計(jì)算一般都依靠周培源所奠基的湍流模式理論。
　　60年代末在剪切湍流中發(fā)現(xiàn)了相干結(jié)構(gòu)的存在，近年來(lái)又在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中顯示出湍流小尺度的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)偏離高斯型，這些都說(shuō)明湍流是一種確定性與隨機(jī)性、有序和無(wú)序并存的流動(dòng)，改變了湍流是完全不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)看法。此外，60年代以來(lái)混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和混沌動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展說(shuō)明存在一類貌視混亂的確定性現(xiàn)象，啟發(fā)人們提出了湍流可能是由混沌發(fā)展起來(lái)的猜想。
　　70年代提出用重整化群研究湍流的方法。這一方法曾在相變動(dòng)力學(xué)中取得成效，考慮到湍流和相變動(dòng)力學(xué)之間存在某種相似性，而將改進(jìn)了的重整化群方法用于N-S方程。近年來(lái)已能預(yù)測(cè)湍流理論中的一些著名常數(shù)和近壁區(qū)的流向條帶等，但這方法中有關(guān)渦間相互作用的基本假設(shè)還缺乏充分的根據(jù)，有待進(jìn)一步的探討。
　　近年來(lái)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性理論已經(jīng)能夠解釋自由剪切流中相干結(jié)構(gòu)的成因。邊界層內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和演化機(jī)制則要復(fù)雜得多，尚需作深入的研究。
　　由于計(jì)算機(jī)和計(jì)算方法的發(fā)展，近20年來(lái)湍流的直接數(shù)值模擬取得了驚人的進(jìn)展。因?yàn)樗话藶榧僭O(shè)和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)而能描述各種尺度渦結(jié)構(gòu)的演化，在槽道流中顯示了從層流到充分發(fā)展湍流的完整的轉(zhuǎn)捩過(guò)程，可以認(rèn)為直接數(shù)值模擬將是今后湍流研究的基本工具之一，能對(duì)湍流結(jié)構(gòu)的成因及演化過(guò)程不斷提供新的看法。
（2）流動(dòng)穩(wěn)定性
　　流動(dòng)穩(wěn)定性研究流動(dòng)從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變機(jī)理，如Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定、Helmholtz不穩(wěn)定、Gotler不穩(wěn)定等，特別是一些與工程技術(shù)有關(guān)的典型剪切流動(dòng)（包括邊界層、槽流、管流、射流、尾流）從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩則是最重要的研究穩(wěn)定性的領(lǐng)域。上述穩(wěn)定性問(wèn)題的線性理論業(yè)已成熟。但是這些理論往往要用平行流假設(shè)，這對(duì)于邊界層流、自由剪切流情況并不合適，致使臨界雷
諾數(shù)與實(shí)際不符，所以要考慮非平行性對(duì)擾動(dòng)演化的影響; 人們不僅要研究擾動(dòng)的自發(fā)演化過(guò)程，而且要考慮外界擾動(dòng)如聲激發(fā)對(duì)流動(dòng)中擾動(dòng)發(fā)展的影響，這就是receptivity問(wèn)題;近年來(lái)在分析時(shí)間模式或空間模式時(shí)，發(fā)現(xiàn)二者與實(shí)際情況均有差異，從而提出了絕對(duì)不穩(wěn)定與遷移不穩(wěn)定的概念。
　　分岔與波共振相互作用的理論成果推動(dòng)了近30年來(lái)非線性穩(wěn)定性理論的發(fā)展，提出了亞臨界與超臨界不穩(wěn)定的概念，解釋了在轉(zhuǎn)捩過(guò)程中所觀察到的現(xiàn)象，如，三維擾動(dòng)的發(fā)展，不同排列λ渦的出現(xiàn)，條紋與湍斑的發(fā)生等。因?yàn)槠矫鍯ouette流與圓管中的Hagen-Poiseuille流對(duì)線性擾動(dòng)是穩(wěn)定的，人們力圖從進(jìn)口段影響與非線性效應(yīng)解釋在有限雷諾數(shù)下轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯脑�。�?shù)值模擬是一個(gè)有力的手段，可以用它研究從層流到湍流轉(zhuǎn)捩的全過(guò)程。
　　對(duì)經(jīng)典的Benard對(duì)流與Taylor-Couette流的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，考慮了Pr數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向和快慢、半徑比、有限圓筒長(zhǎng)等諸因素的影響，得到了不同的流動(dòng)圖案。
　　流動(dòng)穩(wěn)定性的研究成果不斷得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如:Saffman界面不穩(wěn)定應(yīng)用于二次采油，Benjamin-Feir不穩(wěn)定應(yīng)用于風(fēng)浪生成與發(fā)展，Marangoni對(duì)流不穩(wěn)定應(yīng)用于晶體生長(zhǎng)等。
（3）混沌
　　流體力學(xué)中混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展中的重大事件之一。確定性的流動(dòng)因?yàn)殡S初值敏感而可以出現(xiàn)極其復(fù)雜和混亂的現(xiàn)象，這不僅從根本上改變了人們對(duì)牛頓力學(xué)的看法，即經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有被充分認(rèn)識(shí)，而且也深深影響了人們的自然觀。
　　洛倫茨在1963年研究天氣預(yù)報(bào)時(shí)，從流體力學(xué)方程出發(fā)得到了一組簡(jiǎn)化方程，他分析了這組后來(lái)被稱為洛倫茨方程以后發(fā)現(xiàn)，如果控制參數(shù)超過(guò)某一臨界值，這組確定性方程的解是隨初值敏感的，也就是說(shuō)，出現(xiàn)了混沌運(yùn)動(dòng)。洛倫茨方程具有一定的代表性，對(duì)有名的Benard熱對(duì)流問(wèn)題作簡(jiǎn)化，也可得到這一方程。真實(shí)的Benard對(duì)流實(shí)驗(yàn)當(dāng)然要復(fù)雜得多，但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)中控制加熱強(qiáng)度的參數(shù)超過(guò)某一臨界
值時(shí)確實(shí)得到了混沌現(xiàn)象。流體中混沌運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)不僅加深了人們對(duì)天氣預(yù)報(bào)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，也對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性提出了疑問(wèn)，啟發(fā)人們?nèi)で笸牧骱突煦缰g存在著什么樣的聯(lián)系。
　　上面說(shuō)到的洛倫茨方程所代表的是耗散系統(tǒng)中的混沌，另外一類混沌則屬于保守系統(tǒng)。用拉格朗日觀點(diǎn)考察二維不可壓縮流動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)的軌跡，可以得到非線性的哈密頓保守系統(tǒng)。80年代從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面證實(shí)了這樣的保守系統(tǒng)中也存在混沌現(xiàn)象，人們稱之為拉格朗日湍流。一個(gè)完整的典型是在兩個(gè)偏心圓柱間粘性流體的低雷諾數(shù)流動(dòng)，被理論和實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明存在混沌，而這類流動(dòng)和日常生活和工程
中的攪拌混合是密切相聯(lián)的。
　　由此可見(jiàn)，今后的混沌研究對(duì)流體力學(xué)的學(xué)科發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的作用。
（4）水波動(dòng)力學(xué)
　　水波動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)中古老而經(jīng)典的分支，近30年來(lái)再度成為十分活躍的領(lǐng)域。
　　60年代在研究固體熱傳導(dǎo)時(shí)發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象，即兩個(gè)孤波在非線性相互作用后保持波形不變的特性。接著重新導(dǎo)出了水波的KdV方程并發(fā)現(xiàn)了孤立子。此后，為求解非線性波方程提出了有一定普遍意義的反演散射法，Lax為此給出了能夠應(yīng)用此法求解的條件。于是一系列非線性方程，如KdV方程、非線性Schrodinger方程、Sine-Gordon方程等可以求解。在這期間發(fā)展了比較完善的數(shù)值方法，可以模擬非線性波的演化和相互作用的全過(guò)程。上述進(jìn)展不僅被應(yīng)用于對(duì)水波的研究，也推動(dòng)了非線性光學(xué)、超導(dǎo)、等離子體物理等領(lǐng)域。
　　目前，對(duì)水波動(dòng)力學(xué)的非線性現(xiàn)象的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛，例如:強(qiáng)迫孤立子，先導(dǎo)孤立子，分層流、旋轉(zhuǎn)流和變截面流中的孤立子，波的失穩(wěn)而導(dǎo)致分岔，振動(dòng)激勵(lì)容器中波的共振引起的分岔和混沌等。
　　由于國(guó)際上開(kāi)發(fā)海洋和減輕自然災(zāi)害的需要，普遍加強(qiáng)了非線性波的研究和應(yīng)用。60年代，O.M. Phillips從湍流的級(jí)串現(xiàn)象得到啟示，提出了波-波相互作用的原理，并應(yīng)用于海洋上波浪譜的演化，對(duì)于由風(fēng)輸入的能量以及因底部磨擦與波浪破碎引起的耗散過(guò)程的認(rèn)識(shí)也在深化; 在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了第三代風(fēng)浪預(yù)報(bào)模式（WAM），可成功地預(yù)報(bào)全球與區(qū)域的海況。
　　為適應(yīng)海洋離岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，有關(guān)波流相互作用、波與結(jié)構(gòu)的相互作用與波與海底的相互作用等的研究對(duì)海洋平臺(tái)的振蕩、波浪在淺水區(qū)的衰減、海底基礎(chǔ)穩(wěn)定性等的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)有著重大的意義。
（5）渦動(dòng)力學(xué)
　　“流體經(jīng)不住搓，一搓就搓出了渦”，這句話簡(jiǎn)明而生動(dòng)地概括了流體及其運(yùn)動(dòng)的本身。邊界層和擊波層內(nèi)速度劇變，因而是旋渦的集中區(qū); 流體繞過(guò)物體形成了起動(dòng)渦、分離渦和脫落渦等; 層流向湍流的轉(zhuǎn)捩是旋渦運(yùn)動(dòng)的失穩(wěn); 湍流運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是各種大小渦結(jié)構(gòu)的相互作用和轉(zhuǎn)化。所以旋渦是流動(dòng)中最普遍的基本運(yùn)動(dòng)成分，渦量是描述流動(dòng)的一個(gè)基本量。60年代以來(lái)渦動(dòng)力學(xué)成為流體動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)
活躍的研究領(lǐng)域。
　　經(jīng)典的理想流體力學(xué)中的渦量守恒定理保證，只要跟蹤每個(gè)質(zhì)團(tuán)，隨時(shí)計(jì)算其他質(zhì)團(tuán)的旋渦對(duì)這一質(zhì)團(tuán)的誘導(dǎo)速度，便能求出全部流場(chǎng)隨時(shí)間的變化。這就是最早的渦動(dòng)力學(xué)方法。
　　50年代開(kāi)始將以速度和壓力表示的N-S方程改寫為以渦量和脹量表示的形式，這種表述突出了問(wèn)題的動(dòng)力學(xué)實(shí)質(zhì)。因?yàn)榱黧w和物體的相互作用是通過(guò)物體邊界面上的粘附條件體現(xiàn)的，物體邊界將“搓”出渦量，同時(shí)也“擠”出脹量。但是在表述粘附邊界條件上發(fā)生了困難，不能直接寫出渦量和脹量所滿足的關(guān)系。近年來(lái)雖提出一些迭代方法，但尚未得到滿意的結(jié)果，這一問(wèn)題急待解決，如能克服困難，將會(huì)對(duì)一系列重要流動(dòng)問(wèn)題的求解以及對(duì)物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)起重大的作用。
　　近20年來(lái)渦動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬有了較快的發(fā)展，值得重視的是離散渦法和積分方程法。用離散渦法能模擬理想流體運(yùn)動(dòng)，但還不能滿意地模擬粘性效應(yīng)。積分方程法采用有限元或邊界元對(duì)積分形式的流體力學(xué)方法離散求解，精度較高，很有發(fā)展前途。
　　渦動(dòng)力學(xué)的主要研究方向有: 理論體系的完善，渦的穩(wěn)定性與混沌，分離流，湍流中的渦結(jié)構(gòu)，波渦相互作用，渦聲，渦的破裂和重聯(lián)等。
（6）復(fù)雜流場(chǎng)計(jì)算
　　這里所指的復(fù)雜流場(chǎng)是指:具有多種流動(dòng)狀態(tài)或結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)、多種物理效應(yīng)并存的流場(chǎng)等，例如波和渦相互作用的流場(chǎng)、激波和附面層相互干擾的流場(chǎng)、湍流脈動(dòng)噪聲等。
　　由于工程要求越來(lái)越高，特別是超聲速大型客機(jī)、現(xiàn)代航天器和航天飛機(jī)的發(fā)展要求，需要精確的全機(jī)計(jì)算。近十年來(lái)出現(xiàn)了不少有名的關(guān)于全機(jī)（包括航天飛機(jī)）繞流、有化學(xué)反應(yīng)氣流繞全機(jī)的計(jì)算工作。這些工作都利用了超級(jí)計(jì)算機(jī)，為復(fù)雜流場(chǎng)的計(jì)算指出了方向。
　　計(jì)算復(fù)雜流場(chǎng)一方面需要發(fā)展具有高分辨力的計(jì)算方法和具有高分辨力的流動(dòng)顯示及量測(cè)技術(shù); 另一方面還要求對(duì)單一的非線性的基本流動(dòng)規(guī)律有更深入的認(rèn)識(shí)。否則對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析和總結(jié)仍會(huì)束手無(wú)策，甚至難辨真?zhèn)巍?br /> （7）多相流
　　在工程技術(shù)中存在大量的多相流問(wèn)題，如風(fēng)沙、水流中的泥沙、氣水中污染物的遷移、煤粉輸運(yùn)、反應(yīng)器中的多相流、飛行器穿過(guò)云層時(shí)水晶和水滴的運(yùn)動(dòng)等，這些多相流往往不是各相均勻分布的，而出現(xiàn)稀密分區(qū)的現(xiàn)象。
　　近年來(lái)已經(jīng)出現(xiàn)一些從流動(dòng)穩(wěn)定性的分析來(lái)得到無(wú)量綱的穩(wěn)定性條件的較好的工作。更多的工作還是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，設(shè)計(jì)和進(jìn)行合適的室內(nèi)模型試驗(yàn)，用量綱分析方法整理出半經(jīng)驗(yàn)的公式。在計(jì)算方法方面，出現(xiàn)了多種粒子元技術(shù)，如蒙特卡羅（Monte-Carlo）方法、玻爾茲曼格子氣方法等，對(duì)于某些流動(dòng)圖案或機(jī)制可以做出定性的說(shuō)明。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和并行算法的飛速發(fā)展，用這些方法進(jìn)行定量計(jì)算的日子也不會(huì)太遙遠(yuǎn)了。
（8）非平衡流
　　非平衡流的研究主要有兩個(gè)方面，即新一代航天器周圍高溫空氣非平衡效應(yīng)以及能源、化工等工藝流程中的燃燒、相變、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程。它們的共同特點(diǎn)是流體力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)速率過(guò)程的耦合，前者的介質(zhì)是空氣，而后者的介質(zhì)則多種多樣，往往包含多相介質(zhì)和相變。
　　80年代航天器的速度高達(dá)10km/s，空氣動(dòng)力加熱引起的高溫使空氣的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能態(tài)得到激發(fā)，產(chǎn)生離解，進(jìn)而激發(fā)電離和輻射。由于加熱發(fā)生在高空的低密度區(qū)，松弛時(shí)間和流動(dòng)特征時(shí)間相近，非平衡效應(yīng)主要發(fā)生在稀薄氣體和連續(xù)介質(zhì)間的過(guò)渡區(qū)。在這一區(qū)內(nèi)，計(jì)及化學(xué)反應(yīng)和熱輻射的分子運(yùn)動(dòng)論還很不完備，還不能達(dá)到求解非平衡流的水平。即使在連續(xù)介質(zhì)框架內(nèi)討論，因?yàn)橛袃?nèi)能激發(fā)和化學(xué)反
應(yīng)，必須考慮不同自由度的溫度的分離。80年代提出了多溫度模型的基本方程，但推導(dǎo)還不夠嚴(yán)謹(jǐn)。與此同時(shí)，經(jīng)25年發(fā)展起來(lái)的直接模擬蒙特卡羅法（DSMC）已經(jīng)可以處理有內(nèi)能激發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的非平衡問(wèn)題，這是非平衡流研究中的一個(gè)重大進(jìn)步。此法適用范圍極廣，可用于過(guò)流區(qū)和高密度區(qū)，可處理電離、輻射及帶電粒子的雙極擴(kuò)散等。采用DSMC法需要反應(yīng)速率的數(shù)據(jù)，但目前缺乏高溫下的速率數(shù)據(jù)，需要今后實(shí)驗(yàn)的精確測(cè)定和進(jìn)行物理力學(xué)方面的研究。
　　在燃燒和反應(yīng)流動(dòng)的研究中，同樣缺乏有關(guān)相變、反應(yīng)的速率方程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)。用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬此類問(wèn)題有助于定性說(shuō)明問(wèn)題。在這一范圍里，燃燒向爆震的轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究，流化床中流動(dòng)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過(guò)程的研究均涉及流動(dòng)、相變、化學(xué)反應(yīng)的耦合以及非平衡效應(yīng)，都是值得研究的化學(xué)流體力學(xué)方面的課題。
2.3.3 中近期建議著重研究的領(lǐng)域

�。�1）湍流
　　湍流理論的發(fā)展，經(jīng)歷了唯象理論，統(tǒng)計(jì)理論，模式理論等階段。其中的模式理論，雖然帶有一部分經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，但卻是目前唯一可以在工程技術(shù)問(wèn)題中解決具體問(wèn)題的理論。今后仍應(yīng)不斷地研究改進(jìn)以解決更多的工程技術(shù)問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)理論主要適用于均勻各向同性湍流，更多的是著眼于理解湍流的物理機(jī)制。近年來(lái)由于從數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)了一些獨(dú)特的現(xiàn)象，在西方國(guó)家又吸引了一批力學(xué)家和理論物理學(xué)家，提出了一套新的理論模型，取得了新的重要進(jìn)展。
　　60年代末確認(rèn)的在剪切湍流中存在相干或擬序結(jié)構(gòu)，為湍流研究開(kāi)辟了一個(gè)重要方向，從此湍流被公認(rèn)為具有確定性與隨機(jī)性，有序和無(wú)序并存的系統(tǒng)。近年來(lái)，由于實(shí)驗(yàn)手段及數(shù)值模擬的進(jìn)展，對(duì)其現(xiàn)象已有較多的認(rèn)識(shí)。已經(jīng)提出了一些理論來(lái)解釋其生成的原因。相干結(jié)構(gòu)是一種有組織的大尺度結(jié)構(gòu)，在湍流的輸運(yùn)中起著主導(dǎo)作用，對(duì)其控制或影響，可以改變湍流的某些性質(zhì)，例如傳熱能力或摩阻。人們開(kāi)始改變了長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為物體愈光滑，在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力就愈小的概念。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在物體表面上刻劃上適當(dāng)形狀的溝槽，反而可以降低阻力。這一技術(shù)，已經(jīng)在大型遠(yuǎn)程客輪、賽艇，甚至于游泳衣上試用并證實(shí)是有效的。
　　相干結(jié)構(gòu)的研究，還可能在對(duì)我國(guó)有特殊意義的泥沙問(wèn)題的研究上提供新的思路。傳統(tǒng)的理論用河流底層的平均速度作為已沉降泥沙能否被沖起的判據(jù)。而實(shí)際更有意義的是河流底層的相干結(jié)構(gòu)在起動(dòng)泥沙中起主導(dǎo)作用。在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的底層泥沙成塊起動(dòng)而不是一大片同時(shí)起動(dòng)，是這種觀點(diǎn)的一個(gè)有力印證。
　　流動(dòng)穩(wěn)定性理論是研究從層流變?yōu)橥牧鳈C(jī)理的理論。多年來(lái)也取得了很大的進(jìn)展。其線性理論的研究對(duì)應(yīng)用數(shù)學(xué)中的“漸近匹配法”也起了很大的推動(dòng)作用，其非線性理論的發(fā)展，則為現(xiàn)正蓬勃發(fā)展的非線性科學(xué)提供了重要的分析手段。它的發(fā)展，還有不少事先意想不到的副產(chǎn)品。例如自由剪切流中相干結(jié)構(gòu)的成因，已能用流動(dòng)穩(wěn)定性理論成功地加以解釋，從而為其控制提供了理論指導(dǎo)。在航空航天技
術(shù)中的渦系的生成與控制，以及為使?jié)撏щ[身而降低或抑制其噪聲所牽涉到的渦系控制等，也都有可能由流動(dòng)穩(wěn)定性理論提供機(jī)理性的指導(dǎo)。即使是壁湍流中相干結(jié)構(gòu)的生成，也與流動(dòng)不穩(wěn)定性有關(guān)。因此，作為湍流研究的一個(gè)重要方面，流動(dòng)穩(wěn)定性的研究也應(yīng)放在一個(gè)重要方面。
　　隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，湍流的數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究湍流運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要分支。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)有可能在計(jì)算機(jī)中模擬出來(lái)，如前面提到的相干結(jié)構(gòu)等，數(shù)值模擬為研究湍流機(jī)理、湍流控制與湍流利用提供了有效手段，湍流數(shù)值模擬因而也成為目前國(guó)際上湍流研究的主流之一。湍流的數(shù)值模擬一般可劃分為直接數(shù)值模擬、大渦模擬及以二階矩模式為代表的模式理論，后者又可看作是特大渦模擬。直接數(shù)值模擬的研究成果已經(jīng)揭示了物體表面如槽道湍流的運(yùn)動(dòng)特性，并為建立合理的模式理論提供了依據(jù); 直接數(shù)值模擬由于受計(jì)算機(jī)硬件的限制，應(yīng)用它來(lái)解決工業(yè)問(wèn)題尚有很長(zhǎng)的一段路要走。然而，湍流的模式理論，以及在不久的將來(lái)的大渦模擬，則可直接服務(wù)于工程流動(dòng)問(wèn)題。因此，發(fā)展湍流模式理論與大渦模擬方法在我國(guó)有著重要而實(shí)際的意義。
　　我國(guó)湍流研究在周培源教授開(kāi)創(chuàng)性工作的帶動(dòng)下，已形成了一批力量并取得了一批成果。幾個(gè)高等學(xué)校和力學(xué)研究所在湍流的基礎(chǔ)研究上已形成了各自的特色，也有一些高等學(xué)校和與工程有關(guān)的研究院所則在湍流的工程計(jì)算上投入了力量。由于湍流現(xiàn)象的普遍性，絕大部分運(yùn)動(dòng)的空氣和水流都是湍流，所以湍流研究的任何一個(gè)重要進(jìn)展，都會(huì)大大提高人類認(rèn)識(shí)自然的能力，也會(huì)對(duì)一大片工程技術(shù)問(wèn)題的
進(jìn)展提供有力的手段。所以我國(guó)應(yīng)當(dāng)并且也有可能把現(xiàn)有的力量組織起來(lái)，協(xié)同攻關(guān)，以期在不遠(yuǎn)的將來(lái)，使我國(guó)在湍流研究上進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

（2）分離、旋渦運(yùn)動(dòng)的機(jī)理及對(duì)其控制和利用的研究
　　分離和旋渦運(yùn)動(dòng)是飛行器、船艦運(yùn)動(dòng)中最普遍的現(xiàn)象。特別是現(xiàn)在對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)提出了越來(lái)越高的機(jī)動(dòng)性及敏捷性的要求，這就使飛機(jī)經(jīng)常在大攻角和非定常的狀態(tài)下飛行，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大范圍的分離及更復(fù)雜的渦系，極易造成飛機(jī)受力的不對(duì)稱及失去控制。目前對(duì)定常條件下渦系的生成機(jī)制及其穩(wěn)定性已有一定的認(rèn)識(shí)，但在非定常情況下的認(rèn)識(shí)還很不夠。對(duì)一些已觀察到的現(xiàn)象還不能提供機(jī)理性的說(shuō)明。
　　大攻角下流場(chǎng)及渦系失去對(duì)稱性以及非定常飛行時(shí)氣動(dòng)力隨攻角變化滯后現(xiàn)象等等，都是湍流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，也都是典型的分岔和非線性現(xiàn)象。對(duì)其研究不能指望用一般的已有的非線性方法或理論來(lái)解決。但反過(guò)來(lái)，這些問(wèn)題的研究，卻有可能對(duì)整個(gè)非線性科學(xué)提供新的內(nèi)容和手段。
　　對(duì)于流動(dòng)的分離，經(jīng)過(guò)多年的努力，包括我國(guó)科學(xué)家的工作，對(duì)在定常情況下分離的機(jī)制及控制，已有比較充分的了解。但在非定常情況，甚至連分離的判據(jù)還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的說(shuō)法。而流動(dòng)的分離，是很多非線性現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。
　　同樣，在定常情況下，一些渦系的產(chǎn)生及其穩(wěn)定性，已有一些認(rèn)識(shí)。特別是前述流動(dòng)穩(wěn)定性理論的進(jìn)展，提供了很有用的工具。但在非定常情況下渦系的生成及其穩(wěn)定性，就認(rèn)識(shí)得很不深刻。在這方面，我們?cè)诔浞掷矛F(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的前提下，應(yīng)該借鑒前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)。前蘇聯(lián)的計(jì)算手段不如美國(guó)，但他們卻已經(jīng)制造出了其機(jī)動(dòng)性和敏捷性令西方國(guó)家吃驚的飛機(jī)。其根源就是前蘇聯(lián)一貫重視流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究，對(duì)流動(dòng)的機(jī)理有深刻的理解。
　　空-空導(dǎo)彈的高機(jī)動(dòng)性要求，同樣會(huì)導(dǎo)致上面所述的各種現(xiàn)象。我們?nèi)绻恢匾曔@方面的基礎(chǔ)研究，必然導(dǎo)致我國(guó)在這方面的落后。在未來(lái)可能發(fā)生的戰(zhàn)爭(zhēng)中，就要吃大虧。
　　未來(lái)大型超音速民航機(jī)的發(fā)展，降低噪聲是能否使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。噪聲的最主要來(lái)源當(dāng)然是噴氣噪聲（順便提一下，50年代提出的流體動(dòng)力噪聲理論，與傳統(tǒng)的聲學(xué)有很大的不同。實(shí)際上開(kāi)辟了聲學(xué)研究的一大領(lǐng)域。這也可以說(shuō)是流體力學(xué)對(duì)物理一個(gè)重要分支——聲學(xué)的重要貢獻(xiàn)）�，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，噴氣噪聲與尾噴管噴出的射流中產(chǎn)生的大尺度相干結(jié)構(gòu)有關(guān)。在超音速飛行，甚至在高亞音速飛行時(shí)，尾
噴管射流中可能產(chǎn)生由相干結(jié)構(gòu)演化導(dǎo)致的周期性的“小激波”，可能是重要的聲源。相干結(jié)構(gòu)實(shí)際是某種形式的渦，這里再一次提出了研究渦系形成機(jī)制并對(duì)其進(jìn)行控制的重要性。
　　目前我國(guó)在基金委的支持下，已經(jīng)連續(xù)兩次設(shè)立了重大項(xiàng)目，目標(biāo)越來(lái)越明確，并已取得了一批成果，應(yīng)該堅(jiān)持下去。
（3）水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題
　　船舶制造已有長(zhǎng)遠(yuǎn)的歷史。似乎對(duì)一般船舶，從流體力學(xué)角度看，已經(jīng)不存在什么原則上的困難。但事實(shí)并非如此，船舶行進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的頭波阻力，至今也沒(méi)有準(zhǔn)確的算法。以至于還要進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的船池拖曳實(shí)驗(yàn)。其根源在于自由表面條件的非線性，船舶邊界層中湍流經(jīng)常處于非平衡狀態(tài)以及在局部地區(qū)形成了碎浪，使得理論處理十分困難。有理由提出，在現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的條件下，我們應(yīng)該下力氣克服這一困難，使船舶阻力的計(jì)算有一個(gè)可靠的方法，使船舶的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到更現(xiàn)代化的手段上來(lái)。
　　船在大浪中航行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的砰擊作用。即船艏先被大浪抬起，繼而向下而進(jìn)入下一個(gè)波峰之下，大量的水涌上或拍擊到甲板上。這會(huì)造成船的前部相繼受到巨大的正、負(fù)彎矩而導(dǎo)致破壞。自1987年以來(lái)，已有十多艘在北海航行的巨輪受到破壞。對(duì)這種砰擊所產(chǎn)生的載荷，至今沒(méi)有一個(gè)計(jì)算辦法，靠加大安全系數(shù)的辦法是一個(gè)極不經(jīng)濟(jì)的辦法。若用提高鋼板強(qiáng)度要求的辦法來(lái)解決，則因一艘大船所用的鋼材要以萬(wàn)噸計(jì)，顯然是很不經(jīng)濟(jì)的途徑，因此這一問(wèn)題值得認(rèn)真研究。整個(gè)問(wèn)題，必須包含正、反兩個(gè)方面。即由已知有旋流場(chǎng)或海流，推出波浪參數(shù)變化，同時(shí)要研究從已知的波譜變化，反推有旋流場(chǎng)及海流。并進(jìn)而推導(dǎo)產(chǎn)生包含有旋流場(chǎng)的潛艇航向、航速、深度及位置，這自然要包括潛艇航行時(shí)尾跡特性及其演化的研究。所以這是一個(gè)內(nèi)容豐富而復(fù)雜的問(wèn)題，在學(xué)術(shù)上和應(yīng)用前景上均有重要意義。
　　潛艇航行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生尾流，從而在艇后產(chǎn)生一有旋區(qū)。傳統(tǒng)的波浪理論都是在流體無(wú)旋的假定下進(jìn)行的。波浪從無(wú)旋區(qū)向有旋區(qū)傳播，其參數(shù)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。如能了解波浪參數(shù)的變化，則有可能由空中探測(cè)到的波譜反演出潛艇的航跡，從而為探測(cè)潛艇提供一個(gè)新的方法。
　　為防潛艇被探測(cè)，還要盡量減少其噪聲。在低速航行時(shí)，主要噪聲源是螺旋槳及艇體的振動(dòng)。這些振動(dòng)與螺旋漿后產(chǎn)生的各種渦系及螺旋槳與艇體凸出體產(chǎn)生尾流，包含其中可能有渦系相互作用有關(guān)。因而從機(jī)理上深入研究這些渦系產(chǎn)生的原因及其控制，是一個(gè)重要的方向。這方面盡管實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)很多，但從機(jī)理上研究的還不多。
　　當(dāng)前，沿海大國(guó)把注意力轉(zhuǎn)向新型高速大型“船舶”的發(fā)展。原蘇聯(lián)已建成名為“里海怪物”的新“船舶”，可載人400多，時(shí)速達(dá)350km/h。這種“船舶”從水中航行開(kāi)始，迅速升出水面，大部分時(shí)間貼近水面飛行，好處是: 既增加升力，又對(duì)雷達(dá)探測(cè)起到隱身作用。要研究的流體力學(xué)問(wèn)題有水面的增升效應(yīng)以及與波浪的相互作用。
（4）非線性水波和風(fēng)浪相互作用問(wèn)題
　　波浪理論也有很長(zhǎng)的歷史，如前所述，其發(fā)展對(duì)非線性科學(xué)產(chǎn)生了重要的影響。特別是孤立波，波的共振，波的各種不穩(wěn)定性等是非線性科學(xué)的有機(jī)組成部分。
　　但是在波浪理論中，還有一大塊有待開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。這就是風(fēng)浪相互作用問(wèn)題。這是在大洋上每時(shí)每刻都在發(fā)生的現(xiàn)象。它有兩個(gè)重要方面。一方面，風(fēng)的作用產(chǎn)生了浪，浪的破碎在水表層（>10米量級(jí)）產(chǎn)生了湍流混合層。另一方面，還伴隨著海氣間熱量及質(zhì)量的交換。這是整個(gè)地球環(huán)流的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是長(zhǎng)期天氣與氣候預(yù)報(bào)中必須了解的一環(huán)。這一問(wèn)題由于水波的非線性以及包含有碎浪、白帽、表層湍流、風(fēng)的陣發(fā)性等復(fù)雜因素，目前還沒(méi)有很好的理論予以解釋。甚至于在僅含規(guī)則波而且不包含熱量交換的情況下，也還沒(méi)有一個(gè)令人滿意的理論。所以從研究大氣環(huán)流的需要看，只能靠一些現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)處理。影響現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的因素太多，不可能得到可靠的因果關(guān)系，至少對(duì)其機(jī)理應(yīng)該進(jìn)行更深入的研究，然后才有可能從實(shí)測(cè)資料得到更可靠的規(guī)律。過(guò)去的研究，缺少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究，特別是包含熱量、質(zhì)量交換時(shí)的研究。有理由相信，如果能在實(shí)驗(yàn)室中建造能包含熱量、質(zhì)量交換的風(fēng)浪槽，把理論研究和實(shí)驗(yàn)研究緊密結(jié)合起來(lái)，能夠把這一困難問(wèn)題的解決，向前推進(jìn)一大步。
　　風(fēng)浪相互作用的研究還是最近國(guó)際上正在探索的通過(guò)遙測(cè)波譜來(lái)探測(cè)海面上20米范圍內(nèi)風(fēng)速的基礎(chǔ)。
（5）多相流及非牛頓流體力學(xué)問(wèn)題
　　在石油化工等許多重要的產(chǎn)業(yè)部門涉及到大量的多相流及非牛頓流問(wèn)題。比如: 化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)極為重要的產(chǎn)業(yè)，既提供多種產(chǎn)業(yè)所需的原材料，也提供很多中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品。而化工生產(chǎn)中牽涉到大量的多相流及非牛頓流問(wèn)題。
　　一個(gè)化工產(chǎn)品，從實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始到大規(guī)模生產(chǎn)，其中要經(jīng)過(guò)小試、中試等階段。這主要不是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)不清楚，而是流動(dòng)狀態(tài)不清楚。據(jù)說(shuō)美國(guó)在某些情況下，已能免去小試、中試等過(guò)程，原因就在于他們對(duì)某些設(shè)備的流體力學(xué)問(wèn)題弄得比較清楚。
　　與化工有關(guān)的問(wèn)題多半是多相的、多組分的，并伴有相變及化學(xué)反應(yīng)的，流動(dòng)邊界也是極為復(fù)雜的。例如各種塔板上一般有很多凸起的帶帽的孔，液相在塔板上流，氣相則從下頂起蓋帽，穿過(guò)孔洞流上來(lái)，在此過(guò)程中完成傳質(zhì)、傳熱或其它物理、化學(xué)過(guò)程，其復(fù)雜性可想而知。因此要想徹底弄清，得到一個(gè)普適的公式是不現(xiàn)實(shí)的。更現(xiàn)實(shí)的方法是針對(duì)一些典型的設(shè)備，進(jìn)行一些深入的、機(jī)理性的研究，
并配合必要的實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)，這樣是有可能取得重要進(jìn)展的。
　　又如在攪拌器中力圖把物料混合均勻。近年來(lái)，由于流體力學(xué)基礎(chǔ)研究取得的進(jìn)展，已使人們認(rèn)識(shí)到混合實(shí)驗(yàn)上有三個(gè)層次。首先是大尺度運(yùn)動(dòng)使物料達(dá)到大范圍均勻化，同時(shí)小尺度結(jié)構(gòu)使物料間的接觸面迅速增加，而由分子擴(kuò)散完成最終的混合或使不同組分物質(zhì)相互擴(kuò)散滲透而產(chǎn)生所需的化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)看法看起來(lái)似乎是顯而易見(jiàn)的，但對(duì)各層次進(jìn)行定量描述則必須對(duì)流動(dòng)，包括湍流有深入了解。這方面還有很多工作要做。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的分形和混沌理論，實(shí)際上已和這類問(wèn)題結(jié)合起來(lái)了。
　　這里特別應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是: 近年來(lái)，以電流變液為代表的新一代智能材料引起了人們極大的興趣，這是一個(gè)非牛頓流體中有廣泛應(yīng)用前景的新的家族。作為一種固液兩相懸浮液，在外加電場(chǎng)作用下，電流變液的粘性會(huì)迅速增大，從牛頓流體變?yōu)榉桥ｎD流體。其響應(yīng)時(shí)間一般僅為毫秒量級(jí)，并且是可逆的。電流變液所呈現(xiàn)的奇特的力學(xué)特性和流動(dòng)規(guī)律給流體力學(xué)的研究提出了一系列新的問(wèn)題，啟示我們通過(guò)
流體力學(xué)和其它學(xué)科的不斷結(jié)合開(kāi)拓出新的概念和交叉學(xué)科。由于電流變液的廣闊應(yīng)用前景，作為一類新穎的粘性可控的非牛頓流體，今后應(yīng)大力加強(qiáng)對(duì)這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。
（6）計(jì)算方法的研究
　　由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算作為一種研究手段，已越來(lái)越多地滲入到各種學(xué)科中去。反過(guò)來(lái)，各種問(wèn)題的需要，又促進(jìn)了計(jì)算方法的研究和發(fā)展。在這方面，力學(xué)起著十分突出的作用。以結(jié)構(gòu)力學(xué)為起點(diǎn)而興起的有限元方法，在固體力學(xué)中起著重要的作用，并早已推廣到很多其他學(xué)科中去了，由于流體力學(xué)計(jì)算的需要，有限差分法的發(fā)展則起了決定性作用。為了計(jì)算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場(chǎng)，已經(jīng)發(fā)展了各種高精度、高分辨率、無(wú)振蕩的格式及其理論，并已在實(shí)際中得到應(yīng)用。這方面仍需進(jìn)一步的發(fā)展。在將現(xiàn)有基本方法用于真實(shí)復(fù)雜物體繞流計(jì)算方面，在網(wǎng)格生成和計(jì)算方法上仍有待突破，這是計(jì)算流體力學(xué)能否解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的關(guān)鍵。湍流數(shù)值模擬的需要，對(duì)計(jì)算機(jī)的速度和內(nèi)存，提出了更高的要求�？磥�(lái)單純從提高機(jī)器速度及內(nèi)存已無(wú)法滿足要求，因此已有人嘗試其他的途徑。例如玻爾茲曼格子氣的方法，在細(xì)觀的層次考慮物理機(jī)制，將流體力學(xué)問(wèn)題離散化使每一步的計(jì)算大大簡(jiǎn)化�？傊�，湍流數(shù)值模擬方法的研究將仍是十分活躍的研究領(lǐng)域。
　　有可動(dòng)邊界，如水波等的自由表面問(wèn)題，邊界條件引起的非線性影響不能忽略，其計(jì)算方法至今仍是一個(gè)難題，有待繼續(xù)研究。
　　隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，已提出大規(guī)模并行運(yùn)算的設(shè)想。當(dāng)前應(yīng)注意針對(duì)某幾類典型問(wèn)題，研究和設(shè)計(jì)快速有效的并行算法及與之配套的專用的并行計(jì)算機(jī)�？梢栽O(shè)想，將來(lái)有一天，也許可以為計(jì)算網(wǎng)格（不管用什么方法離散化）的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)微處理器，這種計(jì)算實(shí)際上幾乎是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，與真實(shí)流動(dòng)一樣。
　　我們相信，將流體力學(xué)計(jì)算的需要，和計(jì)算技術(shù)的硬件及軟件技術(shù)發(fā)展結(jié)合起來(lái)，有可能在科學(xué)計(jì)算上取得重大的突破。
（7）實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究
　　由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、圖像技術(shù)等方面的不斷進(jìn)步，大大推動(dòng)了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）的空間分辨率已達(dá)毫米量級(jí)，精度可達(dá)0.2%。目前該方法仍在研究中，已經(jīng)注意三維PIV技術(shù)的研究。實(shí)時(shí)PIV（DPIV）技術(shù)也是一個(gè)很有吸引力的研究方向。粒子跡線測(cè)速（PTV）技術(shù)在二維測(cè)量中已成熟，其三維技術(shù)也是國(guó)際上的熱門課題。PIV和PTV作為全流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，對(duì)認(rèn)識(shí)流場(chǎng)時(shí)空結(jié)構(gòu)像湍流、非定常流等復(fù)雜流動(dòng)提供了有效的測(cè)量手段，值
得加強(qiáng)這些方面的研究。在測(cè)速方面，激光測(cè)速技術(shù)是另一有前景的發(fā)展方向。在壓力測(cè)量方面，發(fā)展高精度、高靈敏度、動(dòng)態(tài)性能好、尺寸小及各種壓力量程的壓力傳感器仍然是研究的重點(diǎn)。在密度測(cè)量和溫度測(cè)量方面也有進(jìn)展。對(duì)復(fù)雜流動(dòng)空間密度場(chǎng)的定量測(cè)量仍然是一個(gè)十分困難的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)研究。如何將近10年來(lái)發(fā)展起來(lái)的熱圖技術(shù)（thermography）更好地用于溫度場(chǎng)測(cè)量也是一個(gè)重要的研究方向。
　　流體力學(xué)問(wèn)題的研究越來(lái)越深，對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的要求也越來(lái)越高，尤其在三維復(fù)雜流動(dòng)及實(shí)時(shí)測(cè)量方面，我們期待取得新的進(jìn)展。
（8）滲流力學(xué)的研究
　　滲流指多孔介質(zhì)內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)，滲流的研究從地下水的流動(dòng)開(kāi)始。經(jīng)典的達(dá)西（Darcy）公式在水利界早就得到廣泛應(yīng)用，至今地下水的滲流仍是水利工程建設(shè)、地下水的利用、城市地面沉降、沿海地區(qū)的海水入浸等一大批與國(guó)計(jì)民生有重大關(guān)系的問(wèn)題所必須研究和解決的課題。
　　但近代滲流力學(xué)的發(fā)展，更多地是與能源工業(yè)，特別是石油工業(yè)聯(lián)系在一起的。簡(jiǎn)單地開(kāi)采只能把地下儲(chǔ)油的一小部分開(kāi)采出來(lái)，要想提高采油率，不得不對(duì)石油的滲流以及在注水或其他表面活性劑后的多相流的機(jī)理的細(xì)觀水平上進(jìn)行深入的研究。這就使?jié)B流的研究水平大大提高了一步。
　　我國(guó)科學(xué)家通過(guò)由他們創(chuàng)造的滲流觀測(cè)模型，觀測(cè)到了存在幾種不同的水驅(qū)油機(jī)制，以及添加不同表面活性劑所起的不同的作用。近代非線性科學(xué)中分形和混沌理論的引入，更使這方面的研究有了新的思路。目前這方面的研究，大體上還處于定性描述的階段，但已對(duì)我國(guó)石油開(kāi)采做出了重要的貢獻(xiàn)。如能進(jìn)一步開(kāi)展工作，對(duì)其規(guī)律有進(jìn)一步的了解，對(duì)我國(guó)這樣石油資源相對(duì)并不富裕的國(guó)家將會(huì)產(chǎn)生巨大
的經(jīng)濟(jì)效益。
　　煤層氣的開(kāi)采，是另一種潛在能源，在美國(guó)已初步形成產(chǎn)業(yè)。我國(guó)煤藏十分豐富，在這方面的前景十分可觀。但煤層氣田和常規(guī)天然氣田有許多不同之處，一系列問(wèn)題急需解決，滲流物理機(jī)制和其力學(xué)規(guī)律首當(dāng)其沖。例如，絕大部分氣都緊緊吸附在煤層孔隙及微縫的內(nèi)表面，而不是簡(jiǎn)單地充滿孔隙，很多基礎(chǔ)問(wèn)題需要研究。
　　滲流力學(xué)不但和上述各種工程和工業(yè)有關(guān)，而且也是了解很多生物體內(nèi)體液流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)。例如高大樹(shù)木從根系吸收水分后如何輸運(yùn)到離地幾十米的枝葉，至今仍是個(gè)謎。動(dòng)物體內(nèi)的體液除了一部分明顯地在管道中，如血管中流動(dòng)外，大部分是以滲流形式在運(yùn)動(dòng)，其流動(dòng)規(guī)律已經(jīng)肯定不服從傳統(tǒng)的達(dá)西定律。對(duì)其研究將對(duì)生命科學(xué)和生物技術(shù)提供重要的理論基礎(chǔ)。
　　還有一些對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要意義的產(chǎn)業(yè)都有其各自的滲流問(wèn)題。如青海鹽湖鹵的滲流伴有結(jié)晶過(guò)程，地下熱能的開(kāi)發(fā)中的滲流伴有相變等等。在地學(xué)中，礦液在地下巖石中的輸運(yùn)、集中是成礦過(guò)程的一個(gè)重要部分，核廢料儲(chǔ)存中有關(guān)的滲流問(wèn)題，都牽涉到液體滲流和巖石斷裂的相互作用，具有重要的理論意義。所以，滲流力學(xué)有著重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。
（9）高溫?zé)�、化學(xué)非平衡流
　　這是近年發(fā)展航天飛行器提出的新的重要流動(dòng)問(wèn)題。有兩個(gè)應(yīng)用方面，一是研究飛行器高超聲速飛行時(shí)，外部高溫氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱和等離子體環(huán)境的計(jì)算。這些都是氣動(dòng)設(shè)計(jì)和通訊設(shè)計(jì)所需的。二是研究吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)H2、O2氣體的流動(dòng)，包括點(diǎn)火、燃燒、吸氣和排氣，這是設(shè)計(jì)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)所需的。
　　在60年代，對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的高溫氣流已作了許多研究。但當(dāng)時(shí)僅考慮了化學(xué)反應(yīng)非平衡效應(yīng)，而熱力學(xué)上則假定是平衡的。這對(duì)再入導(dǎo)彈這類飛行器，其真實(shí)氣體效應(yīng)不太顯著的情況是可以的。當(dāng)今發(fā)展具有升力的航天飛機(jī)，真實(shí)氣體效應(yīng)相當(dāng)重要。此時(shí)熱平衡的假定常常帶來(lái)顯著偏差，必須考慮熱和化學(xué)均為非平衡的流動(dòng)。與此對(duì)應(yīng)，何種化學(xué)反應(yīng)模式最為合適，也提出了與60年代不同的見(jiàn)解。這就是當(dāng)今高溫空氣動(dòng)力學(xué)正在探索的熱、化學(xué)非平衡流的模式問(wèn)題。目前已提出了兩方程、三方程及多方程模式，何者合宜，與之相應(yīng)還有各種溫度的計(jì)算問(wèn)題，都需要研究。在H2、O2燃燒流動(dòng)中，由于過(guò)去研究不多，模式問(wèn)題更為突出，同時(shí)，超聲速流中H2、O2氣體的混合問(wèn)題、點(diǎn)火問(wèn)題都急待解決，需要從流體力學(xué)出發(fā)研究H2、O2最佳混合方式及點(diǎn)火方式。
　　同時(shí)，描述熱、化學(xué)非平衡流動(dòng)的方程組是很復(fù)雜的，如何快速、有效地求解則是另一個(gè)重要問(wèn)題。困難還在于方程組的剛性及多個(gè)方程必須耦合計(jì)算。
　　第三個(gè)方面是要研究非平衡流動(dòng)的局部模擬。在現(xiàn)有條件下，全模擬是做不到的。但如能提出某些局部模擬規(guī)則，對(duì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究是重要的。
　　開(kāi)展熱、化學(xué)非平衡流的研究，需要反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)常數(shù)和熱物理參數(shù)，還需研究表面催化效應(yīng)，這些都要物理力學(xué)的幫助。
　　在研究外部等離子體環(huán)境時(shí)，還要研究固體中熱解氣體和燒蝕產(chǎn)物的影響，以及研究電磁波在等離子體中傳播的衰減、反射、穿透等規(guī)律。

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