探尋“流動”的世界

李家春：中國科學院院士、中國科協(xié)首席科學傳播專家、中國科學院力學研究所研究員、中國力學學會第八屆理事長。長期從事流體力學研究，在流動的非線性問題和力學中數(shù)學方法領(lǐng)域做出了理論成果。提出了攝動級數(shù)多對復(fù)奇點的判別準則；最早用剪切解釋風浪頻譜下移機理，并且得到弱風時不穩(wěn)定加強、強風時不穩(wěn)定抑制的新結(jié)論；對自然環(huán)境中的波、流、渦、湍流進行了深入研究，解決了與流體力學有關(guān)的諸如陸面過程、海氣相互作用、臺風異常路徑和土壤侵蝕等環(huán)境科學問題。

流體現(xiàn)象

尋常見

中國古代詩詞往往反映了詩人的一種意境，然而，在很多詩歌中還蘊含著科學原理。下面我就給大家舉兩個例子。

“朝辭白帝彩云間，千里江陵一日還。兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山?！碧拼娙死畎姿鞯钠哐越^句《早發(fā)白帝城》，抒發(fā)了詩人遇赦后愉快的心情，描述了沿途江山的壯麗多姿和順水行舟。其實，“輕舟已過萬重山”體現(xiàn)了一種流動現(xiàn)象。為什么三峽建成前后，船的航速不一樣？沒建三峽之前可以輕快如飛。三峽工程建成以后，“高峽出平湖”，流速就大大減緩了。實際上，這是由于河道的比降不同，也就是說水面的坡度不同所致。河水流動的動力，來自于重力沿著底坡的分量，比降大，該分量也大，所以流速也就增加了。

另外一首詩，也是大家所熟知的，是唐代詩人張繼的《楓橋夜泊》。當時正值安史之亂，作者的心情可以說和詩仙李白完全不同?！霸侣錇跆渌獫M天，江楓漁火對愁眠?！边@兩句顯示出作者的憂郁心情，月落時分，伴著烏鴉的啼叫聲，滿天楓霜，漁火點點，詩人惆悵難眠。“姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船?！敝傅氖翘K州城外的寒山古寺，半夜敲響的鐘聲傳到了詩人的船頭。為什么晚上寒山寺的鐘聲能傳過來？這里面反映了一個科學原理，那就是聲波在大氣當中的折射現(xiàn)象。到了晚上，大氣的密度處于穩(wěn)定層結(jié)，上輕下重，這樣聲音就會全反射回來，而白天的分層情況不同，所以可能聽不到鐘聲。

什么是流體力學？

人類一直生活在一個流動的世界中，風的運動、水的流動，潮汐的變化乃至火山巖漿的運動，流動的現(xiàn)象無處不在，人類也一直在努力地探索流動背后的科學規(guī)律。

流體力學的研究對象是流體介質(zhì)（即液體、氣體、等離子）的對流、擴散、漩渦、波動等現(xiàn)象，相伴的物理、化學、生物過程，以及最終導致的質(zhì)量、動量、能量運輸。飛機的發(fā)明、橋梁的設(shè)計、水利工程的修建、海洋石油的開采都離不開流體力學的支撐。

物質(zhì)有四態(tài)，包括固體以及流體的三態(tài)——液態(tài)、氣態(tài)和等離子體。隨著溫度升高、壓力降低，可以從固態(tài)到液態(tài)，再從液態(tài)到氣態(tài)，氣態(tài)再到等離子體。等離子體是宏觀中性的電離氣體，美麗的極光就是等離子體。

流體跟固體的區(qū)別很清楚，但又不是絕對的，有種現(xiàn)象叫作流變行為，這是一種亦流亦固的現(xiàn)象。舉個例子，如果在一個靜止容器中有一種黏彈性流體，當它發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，就會沿著中間的旋轉(zhuǎn)棒往上爬升。如果是純流體的話，不可能發(fā)生爬竿效應(yīng)，這種黏彈性流體之所以能夠爬上來，是因為它具有的固體能夠保持一定形狀的緣故。流變現(xiàn)象有時還與時間尺度有關(guān)。比如冰川，短時間不會變形，但在十年、百年、千年的時間尺度上，冰川肯定是在流動的。

流體當中的最重要的現(xiàn)象就是對流。對流分兩種情況：強迫對流和自然對流。強迫對流是靠外力來直接驅(qū)動的，例如：水泵、風機；自然對流沒有外驅(qū)動力，是因密度差加之重力作用而引起的，譬如燒水時，輕的流體在下面，重的流體在上面，引發(fā)上下翻滾的對流運動。

流體的擴散現(xiàn)象是指，兩個相鄰的、溫度不一樣或濃度不一樣的流體團間的能量、質(zhì)量、動量交換。一般情況下有兩種流動狀態(tài)：一種是非常有規(guī)則的層流，它的流線非常明顯，不同層間的能量、物質(zhì)、動量等都可以交換，主要靠我們看不見的分子無規(guī)運動。第二種是湍流擴散。坐過飛機的朋友都知道，經(jīng)常有顛簸，是因為外面有湍流運動。它是流體團無規(guī)運動，而不只是分子的無規(guī)運動。湍流擴散速率可以是分子擴散的幾百倍、上千倍。湍流交換有利有弊，一方面加快了燃料混合和污染物的擴散，另一方面，又增加了阻力。我們要充分利用這些特點來為人類服務(wù)。

流體力學的發(fā)展

早在公元前256年左右修建的都江堰工程，是全世界迄今為止年代最久、唯一留存的，以無壩引水為特征、一直使用至今的宏大水利工程，被譽為世界水利文化的鼻祖，體現(xiàn)了中國古代的流體力學成就。

都江堰最早運用了流體力學的原理，其中有三個關(guān)鍵的工程。第一個叫魚嘴工程，它將閩江分成內(nèi)江和外江，使進入內(nèi)江的水與沙的比例達到平衡，內(nèi)江既不淤塞，水量又充分。第二個叫做飛沙堰，如果內(nèi)江的水太多，水流通過飛沙堰就可溢出到外江去，使得內(nèi)江水量得到平衡。第三個是寶瓶口，它相當于一個小水庫，可以存續(xù)富裕的水。有了這些技術(shù)的保障，使得成都平原能夠在灌溉、水利方面都做得比較好。

流體力學伴隨著人類實踐經(jīng)驗的不斷積累，逐步發(fā)展至今，經(jīng)過了四個重要的發(fā)展階段。第一階段也成為古代流體力學階段，最典型的成果有中國古代的都江堰工程、西方的阿基米德浮力原理和提水機、達芬奇的撲翼機和降落傘，這些成果大多來源于人們實踐經(jīng)驗的積累和總結(jié)。

牛頓建立力學以后，就把牛頓力學運用到流體力學，就發(fā)展出了第二階段，即經(jīng)典流體力學階段，在這個時期，剛好數(shù)學理論也得到了充分的發(fā)展。流體力學首先開始研究的是理想介質(zhì)中的問題，借助嚴密的數(shù)學理論和牛頓力學的基礎(chǔ)得以快速發(fā)展。這一階段從1687年開始，一直持續(xù)到19世紀末。

直到1904年以后，普朗特用深刻物理思想解決了飛機設(shè)計中的升力問題（不同于氣球、飛艇，飛機要靠運動產(chǎn)生升力），流體力學進入了一個新的發(fā)展階段，也就是流體力學的第三階段——近代力學階段。在這個時期，實現(xiàn)了人類想要飛上天空的愿望。1903年，萊特兄弟首先實現(xiàn)了動力飛行。我們乘坐飛機，人與飛機重力是大于其浮力的，是不可能飛起來的。飛機想要起飛必須借助跑道（借助空氣的氣流連續(xù)性原理、利用壓力變化）才能起飛，即動力飛行。

20世紀60年代以來，由于超級計算機、先進測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，流體力學凸顯出宏觀、微觀研究相結(jié)合，學科交叉發(fā)展的特征，并進入現(xiàn)代力學發(fā)展新階段。在這一階段，流體力學發(fā)展使用到了最先進的技術(shù)。首先用到了計算機來進行復(fù)雜問題的計算，發(fā)展出了計算流體力學。第二個被運用到的就是實驗裝備，比如說有早期的風洞、水槽，比如說把飛機放到一個洞體里面去，旁邊吹風相當于它在飛行?，F(xiàn)在，中國的實驗裝備已經(jīng)慢慢與國際接軌，達到了先進水平，比如說我們已經(jīng)有了空氣動力學研究中心，各高校有大型的波浪池，使得中國的空氣動力學研究工作達到更高的水平。

未來發(fā)展前景寬

生產(chǎn)和生活的需要是產(chǎn)生和發(fā)展科學技術(shù)的動力，沒有水利、航運、航空、能源等方面的需求，就沒有現(xiàn)代流體力學。

未來流體力學研究將呈現(xiàn)出怎樣的趨勢和特點，有哪些前沿的研究方向呢？過去力學研究的是宏觀的問題，而分子原子的問題都是留給物理學家去做的，但是現(xiàn)在有兩個因素促使我們?nèi)ネ瑫r進行宏觀與微觀的研究。第一個就是我們不能滿足于研究一般的現(xiàn)象，而是要深入其中尋找它的機理——一般現(xiàn)象出現(xiàn)的原因往往取決于它的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。物質(zhì)都是由原子分子構(gòu)成的，生物都是由細胞、分子構(gòu)成的，將宏觀和微觀結(jié)合起來，如果從這個層面上研究它，就能更深層次地了解它的機理。第二個因素就是，過去力學研究的多是單純的機械運動，如今這類問題大部分都已經(jīng)解決了，再進行深入的研究一定會穿插著物理、化學、生物等相關(guān)學科的內(nèi)容，研究交叉學科的物理問題也成為現(xiàn)代力學研究的特點。

未來，流體力學還面臨著眾多的挑戰(zhàn)，比如航空工程。世界上比較好的兩大公司是空客和波音公司，我國航空工程的發(fā)展幾經(jīng)波折，走了不少彎路，已經(jīng)研制了運十、ARJ、C919等等。對航空來講，新的挑戰(zhàn)在于輕、快、省、靜、安全、舒適。超臨界機翼、旋渦分離、氣動彈性和流動控制等這些問題，對空氣動力學家、流體力學家來講仍舊是一個挑戰(zhàn)。我國在發(fā)動機方面也還比較落后。航空發(fā)動機比火箭發(fā)動機難，火箭發(fā)動機是一次性的，用完就不要了，而航空發(fā)動機要長時間飛行，要考慮它的經(jīng)濟性、安全性、材料的耐熱性等，所以航空發(fā)動機的材料是很重要的。

周培源曾經(jīng)說過，只要自然界存在著機械運動，以及機械運動和其他各級運動形式的相互聯(lián)系，力學就永遠有無止境的研究課題，就永遠有無限光輝的前景?，F(xiàn)代流體力學不僅是一門重要的基礎(chǔ)學科，而且與國家經(jīng)濟、社會發(fā)展進步有著密切的關(guān)系，未來流體力學還將在航空航天、海洋海岸、環(huán)境能源、生物醫(yī)學、材料信息等諸多前沿領(lǐng)域發(fā)揮不可或缺的作用。這需要年輕一代努力奮斗，來解決我們的問題！