探尋“流動”的世界

李家春：中國科學院院士、中國科協首席科學傳播專家、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學方法領域做出了理論成果。提出了攝動級數多對復奇點的判別準則；最早用剪切解釋風浪頻譜下移機理，并且得到弱風時不穩定加強、強風時不穩定抑制的新結論；對自然環境中的波、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境科學問題。

流體現象

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。”唐代著名詩人李白所作的七言絕句《早發白帝城》，抒發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”體現了一種流動現象。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。“月落烏啼霜滿天，江楓漁火對愁眠。”這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。”指的是蘇州城外的寒山古寺，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象。到了晚上，大氣的密度處于穩定層結，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，流動的現象無處不在，人類也一直在努力地探索流動背后的科學規律。

流體力學的研究對象是流體介質（即液體、氣體、等離子）的對流、擴散、漩渦、波動等現象，相伴的物理、化學、生物過程，以及最終導致的質量、動量、能量運輸。飛機的發明、橋梁的設計、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。

物質有四態，包括固體以及流體的三態——液態、氣態和等離子體。隨著溫度升高、壓力降低，可以從固態到液態，再從液態到氣態，氣態再到等離子體。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。

流體跟固體的區別很清楚，但又不是絕對的，有種現象叫作流變行為，這是一種亦流亦固的現象。舉個例子，如果在一個靜止容器中有一種黏彈性流體，當它發生旋轉時，就會沿著中間的旋轉棒往上爬升。如果是純流體的話，不可能發生爬竿效應，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。流變現象有時還與時間尺度有關。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動的，例如：水泵、風機；自然對流沒有外驅動力，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，引發上下翻滾的對流運動。

流體的擴散現象是指，兩個相鄰的、溫度不一樣或濃度不一樣的流體團間的能量、質量、動量交換。一般情況下有兩種流動狀態：一種是非常有規則的層流，它的流線非常明顯，不同層間的能量、物質、動量等都可以交換，主要靠我們看不見的分子無規運動。第二種是湍流擴散。坐過飛機的朋友都知道，經常有顛簸，是因為外面有湍流運動。它是流體團無規運動，而不只是分子的無規運動。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。

流體力學的發展

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，其中有三個關鍵的工程。第一個叫魚嘴工程，它將閩江分成內江和外江，使進入內江的水與沙的比例達到平衡，內江既不淤塞，水量又充分。第二個叫做飛沙堰，如果內江的水太多，水流通過飛沙堰就可溢出到外江去，使得內江水量得到平衡。第三個是寶瓶口，它相當于一個小水庫，可以存續富裕的水。有了這些技術的保障，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驗的不斷積累，逐步發展至今，經過了四個重要的發展階段。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驗的積累和總結。

牛頓建立力學以后，就把牛頓力學運用到流體力學，就發展出了第二階段，即經典流體力學階段，在這個時期，剛好數學理論也得到了充分的發展。流體力學首先開始研究的是理想介質中的問題，借助嚴密的數學理論和牛頓力學的基礎得以快速發展。這一階段從1687年開始，一直持續到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計中的升力問題（不同于氣球、飛艇，飛機要靠運動產生升力），流體力學進入了一個新的發展階段，也就是流體力學的第三階段——近代力學階段。在這個時期，實現了人類想要飛上天空的愿望。1903年，萊特兄弟首先實現了動力飛行。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、先進測試技術的發展和應用，流體力學凸顯出宏觀、微觀研究相結合，學科交叉發展的特征，并進入現代力學發展新階段。在這一階段，流體力學發展使用到了最先進的技術。首先用到了計算機來進行復雜問題的計算，發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。現在，中國的實驗裝備已經慢慢與國際接軌，達到了先進水平，比如說我們已經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。

未來發展前景寬

生產和生活的需要是產生和發展科學技術的動力，沒有水利、航運、航空、能源等方面的需求，就沒有現代流體力學。

未來流體力學研究將呈現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，但是現在有兩個因素促使我們去同時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象，而是要深入其中尋找它的機理——一般現象出現的原因往往取決于它的物質結構。物質都是由原子分子構成的，生物都是由細胞、分子構成的，將宏觀和微觀結合起來，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、生物等相關學科的內容，研究交叉學科的物理問題也成為現代力學研究的特點。

未來，流體力學還面臨著眾多的挑戰，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，我國航空工程的發展幾經波折，走了不少彎路，已經研制了運十、ARJ、C919等等。對航空來講，新的挑戰在于輕、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。我國在發動機方面也還比較落后。航空發動機比火箭發動機難，火箭發動機是一次性的，用完就不要了，而航空發動機要長時間飛行，要考慮它的經濟性、安全性、材料的耐熱性等，所以航空發動機的材料是很重要的。

周培源曾經說過，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。現代流體力學不僅是一門重要的基礎學科，而且與國家經濟、社會發展進步有著密切的關系，未來流體力學還將在航空航天、海洋海岸、環境能源、生物醫學、材料信息等諸多前沿領域發揮不可或缺的作用。這需要年輕一代努力奮斗，來解決我們的問題！