李家春：中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科協(xié)首席科學(xué)傳播專家、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)第八屆理事長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事流體力學(xué)研究，在流動(dòng)的非線性問(wèn)題和力學(xué)中數(shù)學(xué)方法領(lǐng)域做出了理論成果。提出了攝動(dòng)級(jí)數(shù)多對(duì)復(fù)奇點(diǎn)的判別準(zhǔn)則；最早用剪切解釋風(fēng)浪頻譜下移機(jī)理，并且得到弱風(fēng)時(shí)不穩(wěn)定加強(qiáng)、強(qiáng)風(fēng)時(shí)不穩(wěn)定抑制的新結(jié)論；對(duì)自然環(huán)境中的波、流、渦、湍流進(jìn)行了深入研究，解決了與流體力學(xué)有關(guān)的諸如陸面過(guò)程、海氣相互作用、臺(tái)風(fēng)異常路徑和土壤侵蝕等環(huán)境科學(xué)問(wèn)題。

流體現(xiàn)象

尋常見

中國(guó)古代詩(shī)詞往往反映了詩(shī)人的一種意境，然而，在很多詩(shī)歌中還蘊(yùn)含著科學(xué)原理。下面我就給大家舉兩個(gè)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(guò)萬(wàn)重山?！碧拼?shī)人李白所作的七言絕句《早發(fā)白帝城》，抒發(fā)了詩(shī)人遇赦后愉快的心情，描述了沿途江山的壯麗多姿和順?biāo)兄?。其?shí)，“輕舟已過(guò)萬(wàn)重山”體現(xiàn)了一種流動(dòng)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(shí)際上，這是由于河道的比降不同，也就是說(shuō)水面的坡度不同所致。河水流動(dòng)的動(dòng)力，來(lái)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(shī)，也是大家所熟知的，是唐代詩(shī)人張繼的《楓橋夜泊》。當(dāng)時(shí)正值安史之亂，作者的心情可以說(shuō)和詩(shī)仙李白完全不同?！霸侣錇跆渌獫M天，江楓漁火對(duì)愁眠?！边@兩句顯示出作者的憂郁心情，月落時(shí)分，伴著烏鴉的啼叫聲，滿天楓霜，漁火點(diǎn)點(diǎn)，詩(shī)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(shī)人的船頭。為什么晚上寒山寺的鐘聲能傳過(guò)來(lái)？這里面反映了一個(gè)科學(xué)原理，那就是聲波在大氣當(dāng)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(huì)全反射回來(lái)，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(xué)？

人類一直生活在一個(gè)流動(dòng)的世界中，風(fēng)的運(yùn)動(dòng)、水的流動(dòng)，潮汐的變化乃至火山巖漿的運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)的現(xiàn)象無(wú)處不在，人類也一直在努力地探索流動(dòng)背后的科學(xué)規(guī)律。

流體力學(xué)的研究對(duì)象是流體介質(zhì)（即液體、氣體、等離子）的對(duì)流、擴(kuò)散、漩渦、波動(dòng)等現(xiàn)象，相伴的物理、化學(xué)、生物過(guò)程，以及最終導(dǎo)致的質(zhì)量、動(dòng)量、能量運(yùn)輸。飛機(jī)的發(fā)明、橋梁的設(shè)計(jì)、水利工程的修建、海洋石油的開采都離不開流體力學(xué)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?gòu)囊簯B(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(duì)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(gè)例子，如果在一個(gè)靜止容器中有一種黏彈性流體，當(dāng)它發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)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(lái)，是因?yàn)樗哂械墓腆w能夠保持一定形狀的緣故。流變現(xiàn)象有時(shí)還與時(shí)間尺度有關(guān)。比如冰川，短時(shí)間不會(huì)變形，但在十年、百年、千年的時(shí)間尺度上，冰川肯定是在流動(dòng)的。

流體當(dāng)中的最重要的現(xiàn)象就是對(duì)流。對(duì)流分兩種情況：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流。強(qiáng)迫對(duì)流是靠外力來(lái)直接驅(qū)動(dòng)的，例如：水泵、風(fēng)機(jī)；自然對(duì)流沒有外驅(qū)動(dòng)力，是因密度差加之重力作用而引起的，譬如燒水時(shí)，輕的流體在下面，重的流體在上面，引發(fā)上下翻滾的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

流體的擴(kuò)散現(xiàn)象是指，兩個(gè)相鄰的、溫度不一樣或濃度不一樣的流體團(tuán)間的能量、質(zhì)量、動(dòng)量交換。一般情況下有兩種流動(dòng)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(dòng)量等都可以交換，主要靠我們看不見的分子無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)。第二種是湍流擴(kuò)散。坐過(guò)飛機(jī)的朋友都知道，經(jīng)常有顛簸，是因?yàn)橥饷嬗型牧鬟\(yùn)動(dòng)。它是流體團(tuán)無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)，而不只是分子的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)。湍流擴(kuò)散速率可以是分子擴(kuò)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(kuò)散，另一方面，又增加了阻力。我們要充分利用這些特點(diǎn)來(lái)為人類服務(wù)。

流體力學(xué)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(wú)壩引水為特征、一直使用至今的宏大水利工程，被譽(yù)為世界水利文化的鼻祖，體現(xiàn)了中國(guó)古代的流體力學(xué)成就。

都江堰最早運(yùn)用了流體力學(xué)的原理，其中有三個(gè)關(guān)鍵的工程。第一個(gè)叫魚嘴工程，它將閩江分成內(nèi)江和外江，使進(jìn)入內(nèi)江的水與沙的比例達(dá)到平衡，內(nèi)江既不淤塞，水量又充分。第二個(gè)叫做飛沙堰，如果內(nèi)江的水太多，水流通過(guò)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(gè)是寶瓶口，它相當(dāng)于一個(gè)小水庫(kù)，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(xué)伴隨著人類實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，逐步發(fā)展至今，經(jīng)過(guò)了四個(gè)重要的發(fā)展階段。第一階段也成為古代流體力學(xué)階段，最典型的成果有中國(guó)古代的都江堰工程、西方的阿基米德浮力原理和提水機(jī)、達(dá)芬奇的撲翼機(jī)和降落傘，這些成果大多來(lái)源于人們實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和總結(jié)。

牛頓建立力學(xué)以后，就把牛頓力學(xué)運(yùn)用到流體力學(xué)，就發(fā)展出了第二階段，即經(jīng)典流體力學(xué)階段，在這個(gè)時(shí)期，剛好數(shù)學(xué)理論也得到了充分的發(fā)展。流體力學(xué)首先開始研究的是理想介質(zhì)中的問(wèn)題，借助嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論和牛頓力學(xué)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(jì)末。

直到1904年以后，普朗特用深刻物理思想解決了飛機(jī)設(shè)計(jì)中的升力問(wèn)題（不同于氣球、飛艇，飛機(jī)要靠運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力），流體力學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，也就是流體力學(xué)的第三階段——近代力學(xué)階段。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了人類想要飛上天空的愿望。1903年，萊特兄弟首先實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力飛行。我們乘坐飛機(jī)，人與飛機(jī)重力是大于其浮力的，是不可能飛起來(lái)的。飛機(jī)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(dòng)力飛行。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于超級(jí)計(jì)算機(jī)、先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，流體力學(xué)凸顯出宏觀、微觀研究相結(jié)合，學(xué)科交叉發(fā)展的特征，并進(jìn)入現(xiàn)代力學(xué)發(fā)展新階段。在這一階段，流體力學(xué)發(fā)展使用到了最先進(jìn)的技術(shù)。首先用到了計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算，發(fā)展出了計(jì)算流體力學(xué)。第二個(gè)被運(yùn)用到的就是實(shí)驗(yàn)裝備，比如說(shuō)有早期的風(fēng)洞、水槽，比如說(shuō)把飛機(jī)放到一個(gè)洞體里面去，旁邊吹風(fēng)相當(dāng)于它在飛行?，F(xiàn)在，中國(guó)的實(shí)驗(yàn)裝備已經(jīng)慢慢與國(guó)際接軌，達(dá)到了先進(jìn)水平，比如說(shuō)我們已經(jīng)有了空氣動(dòng)力學(xué)研究中心，各高校有大型的波浪池，使得中國(guó)的空氣動(dòng)力學(xué)研究工作達(dá)到更高的水平。

未來(lái)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(xué)技術(shù)的動(dòng)力，沒有水利、航運(yùn)、航空、能源等方面的需求，就沒有現(xiàn)代流體力學(xué)。

未來(lái)流體力學(xué)研究將呈現(xiàn)出怎樣的趨勢(shì)和特點(diǎn)，有哪些前沿的研究方向呢？過(guò)去力學(xué)研究的是宏觀的問(wèn)題，而分子原子的問(wèn)題都是留給物理學(xué)家去做的，但是現(xiàn)在有兩個(gè)因素促使我們?nèi)ネ瑫r(shí)進(jìn)行宏觀與微觀的研究。第一個(gè)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(jī)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(xì)胞、分子構(gòu)成的，將宏觀和微觀結(jié)合起來(lái)，如果從這個(gè)層面上研究它，就能更深層次地了解它的機(jī)理。第二個(gè)因素就是，過(guò)去力學(xué)研究的多是單純的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，如今這類問(wèn)題大部分都已經(jīng)解決了，再進(jìn)行深入的研究一定會(huì)穿插著物理、化學(xué)、生物等相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，研究交叉學(xué)科的物理問(wèn)題也成為現(xiàn)代力學(xué)研究的特點(diǎn)。

未來(lái)，流體力學(xué)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(guó)航空工程的發(fā)展幾經(jīng)波折，走了不少?gòu)澛?，已?jīng)研制了運(yùn)十、ARJ、C919等等。對(duì)航空來(lái)講，新的挑戰(zhàn)在于輕、快、省、靜、安全、舒適。超臨界機(jī)翼、旋渦分離、氣動(dòng)彈性和流動(dòng)控制等這些問(wèn)題，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)家、流體力學(xué)家來(lái)講仍舊是一個(gè)挑戰(zhàn)。我國(guó)在發(fā)動(dòng)機(jī)方面也還比較落后。航空發(fā)動(dòng)機(jī)比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)難，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一次性的，用完就不要了，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)要長(zhǎng)時(shí)間飛行，要考慮它的經(jīng)濟(jì)性、安全性、材料的耐熱性等，所以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料是很重要的。

周培源曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，只要自然界存在著機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)和其他各級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的相互聯(lián)系，力學(xué)就永遠(yuǎn)有無(wú)止境的研究課題，就永遠(yuǎn)有無(wú)限光輝的前景?，F(xiàn)代流體力學(xué)不僅是一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科，而且與國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展進(jìn)步有著密切的關(guān)系，未來(lái)流體力學(xué)還將在航空航天、海洋海岸、環(huán)境能源、生物醫(yī)學(xué)、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(lái)解決我們的問(wèn)題！