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，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，就沒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)，特別是空氣動力學(xué)發(fā)展的最重要的推動力。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300噸，總的長寬有大半個足球場大的飛機(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。更不用說今后會將出現(xiàn)更大、飛行速度更快的飛機(jī)。
　　同樣，也不可能想象，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，能設(shè)計制造排水量超過50萬噸的船舶，能建造長江三峽水利工程這種超大規(guī)模工程，能設(shè)計90萬kW汽輪機(jī)組，能建造每臺價值超過10億美元的海上采油平臺，能進(jìn)行氣候的中長期預(yù)報，等等。甚至天文上觀測到的一些宇宙現(xiàn)象，如星系螺旋結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理，也通過流體力學(xué)中形成的理論得到了解釋。近年來從流體力學(xué)的角度對魚類游動原理的研究，發(fā)現(xiàn)了采用只是擺動尾部（指身體大部不動）來產(chǎn)生推進(jìn)力的魚類，最好的尾型應(yīng)該是細(xì)長的月牙型。這正是經(jīng)過幾億年進(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，既對整個科學(xué)的發(fā)展起了重要的作用，又對很多與國計民生有關(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題將繼續(xù)受到重視; 另一方面為促進(jìn)國家建設(shè)和社會進(jìn)步，主要力量將會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)大體會沿以下三個方向發(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
　　對于流動穩(wěn)定性和混沌的研究也將會以相當(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。近來發(fā)展非常迅速的各類流動顯示技術(shù)和粒子成像測速法將對猝發(fā)、分離、失穩(wěn)，，以及各類渦的形成、運(yùn)動和發(fā)展、破裂、合并、重聯(lián)等現(xiàn)象和過程提供詳細(xì)的記錄，巧妙地設(shè)計實(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)值模擬可以摒棄對經(jīng)驗(yàn)的依賴，考慮到計算機(jī)性能的限度，需要發(fā)展高分辨率
的算法和并行計算技術(shù)，精心設(shè)計典型算例，將會提供更多新的現(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，采用攝動展開不失為解決弱非線性問題的手段，但很有必要尋求新的表述方法和數(shù)學(xué)工具。針對不同類型的流動特點(diǎn)，將會不斷構(gòu)造出新的理論模型，增強(qiáng)預(yù)測的能力。
（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。不論是整體流場或是某一單元過程，數(shù)值模擬將會發(fā)揮重要作用。在某些典型問題方面，如繞流、水波、可壓縮性波動等，已經(jīng)發(fā)展了一批大型計算軟件，今后這一發(fā)展勢頭將會更快，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
　　由于社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的需要，流體力學(xué)將會對全社會關(guān)心的生態(tài)環(huán)境的維護(hù)問題發(fā)揮積極的作用，重點(diǎn)是研究陸氣、海氣界面過程，污染物的遷移，風(fēng)沙、泥沙、泥石流運(yùn)動，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)測試技術(shù)、數(shù)值計算手段和分析方法上的進(jìn)步，在多種非線性流動以及力學(xué)和其他物理、化學(xué)效應(yīng)相耦合的流動等方面呈現(xiàn)了豐富多采的發(fā)展態(tài)勢。
　　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、濃度及渦度的測量技術(shù)，流動顯示和數(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題的多種拉格朗日和歐拉的混合方法，計算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場的高精度格式等。目前，計算流體力學(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)首推漸近展開法的日趨成熟，多種漸近法（如匹配展開法、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題。純粹數(shù)學(xué)中的泛函、群論、拓?fù)鋵W(xué)，尤其是微分動力系統(tǒng)的發(fā)展為研究非線性問題提供了有效的手段。
　　本世紀(jì)對流體力學(xué)中的一些基本流動現(xiàn)象的研究取得了可喜的進(jìn)步，下面將分別敘述在湍流、流動穩(wěn)定性、混沌、非線性波、渦運(yùn)動、
　（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)過多代人的研究，經(jīng)歷了唯象理論、統(tǒng)計理論、模式理論直至今天的直接數(shù)值模擬等階段，對這一問題的認(rèn)識已大為深化。
　　40年代周培源指出必須同時聯(lián)立求解平均運(yùn)動和脈動運(yùn)動，并提出用逐級近似求解的方法來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)計性質(zhì)偏離高斯型，這些都說明湍流是一種確定性與隨機(jī)性、有序和無序并存的流動，改變了湍流是完全不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動的傳統(tǒng)看法。此外，60年代以來混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和混沌動力學(xué)的迅速發(fā)展說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力學(xué)中取得成效，考慮到湍流和相變動力學(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。近年來已能預(yù)測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。
　　近年來運(yùn)用運(yùn)動穩(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。
　　由于計算機(jī)和計算方法的發(fā)展，近20年來湍流的直接數(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，能對湍流結(jié)構(gòu)的成因及演化過程不斷提供新的看法。
（2）流動穩(wěn)定性
　　流動穩(wěn)定性研究流動從一種狀態(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（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擾動演化的影響; 人們不僅要研究擾動的自發(fā)演化過程，而且要考慮外界擾動如聲激發(fā)對流動中擾動發(fā)展的影響，這就是receptivity問題;近年來在分析時間模式或空間模式時，發(fā)現(xiàn)二者與實(shí)際情況均有差異，從而提出了絕對不穩(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了近30年來非線性穩(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)捩過程中所觀察到的現(xiàn)象，如，三維擾動的發(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流對線性擾動是穩(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)值模擬是一個有力的手段，可以用它研究從層流到湍流轉(zhuǎn)捩的全過程。
　　對經(jīng)典的Benard對流與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、有限圓筒長等諸因素的影響，得到了不同的流動圖案。
　　流動穩(wěn)定性的研究成果不斷得到開發(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對流不穩(wěn)定應(yīng)用于晶體生長等。
（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牛頓力學(xué)的看法，即經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被充分認(rèn)識，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)報時，從流體力學(xué)方程出發(fā)得到了一組簡化方程，他分析了這組后來被稱為洛倫茨方程以后發(fā)現(xiàn)，如果控制參數(shù)超過某一臨界值，這組確定性方程的解是隨初值敏感的，也就是說，出現(xiàn)了混沌運(yùn)動。洛倫茨方程具有一定的代表性，對有名的Benard熱對流問題作簡化，也可得到這一方程。真實(shí)的Benard對流實(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)超過某一臨界
值時確實(shí)得到了混沌現(xiàn)象。流體中混沌運(yùn)動的發(fā)現(xiàn)不僅加深了人們對天氣預(yù)報本質(zhì)的認(rèn)識，也對湍流運(yùn)動的隨機(jī)性提出了疑問，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。一個完整的典型是在兩個偏心圓柱間粘性流體的低雷諾數(shù)流動，被理論和實(shí)驗(yàn)同時證明存在混沌，而這類流動和日常生活和工程
中的攪拌混合是密切相聯(lián)的。
　　由此可見，今后的混沌研究對流體力學(xué)的學(xué)科發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用將會產(chǎn)生難以預(yù)料的作用。
（4）水波動力學(xué)
　　水波動力學(xué)是流體力學(xué)中古老而經(jīng)典的分支，近30年來再度成為十分活躍的領(lǐng)域。
　　60年代在研究固體熱傳導(dǎo)時發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象，即兩個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程。上述進(jìn)展不僅被應(yīng)用于對水波的研究，也推動了非線性光學(xué)、超導(dǎo)、等離子體物理等領(lǐng)域。
　　目前，對水波動力學(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，振動激勵容器中波的共振引起的分岔和混沌等。
　　由于國際上開發(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程的認(rèn)識也在深化; 在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了第三代風(fēng)浪預(yù)報模式（WAM），可成功地預(yù)報全球與區(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海洋平臺的振蕩、波浪在淺水區(qū)的衰減、海底基礎(chǔ)穩(wěn)定性等的認(rèn)識和預(yù)報有著重大的意義。
（5）渦動力學(xué)
　　“流體經(jīng)不住搓，一搓就搓出了渦”，這句話簡明而生動地概括了流體及其運(yùn)動的本身。邊界層和擊波層內(nèi)速度劇變，因而是旋渦的集中區(qū); 流體繞過物體形成了起動渦、分離渦和脫落渦等; 層流向湍流的轉(zhuǎn)捩是旋渦運(yùn)動的失穩(wěn); 湍流運(yùn)動實(shí)際上是各種大小渦結(jié)構(gòu)的相互作用和轉(zhuǎn)化。所以旋渦是流動中最普遍的基本運(yùn)動成分，渦量是描述流動的一個基本量。60年代以來渦動力學(xué)成為流體動力學(xué)中的一個
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，只要跟蹤每個質(zhì)團(tuán)，隨時計算其他質(zhì)團(tuán)的旋渦對這一質(zhì)團(tuán)的誘導(dǎo)速度，便能求出全部流場隨時間的變化。這就是最早的渦動力學(xué)方法。
　　50年代開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，這種表述突出了問題的動力學(xué)實(shí)質(zhì)。因?yàn)榱黧w和物體的相互作用是通過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。近年來雖提出一些迭代方法，但尚未得到滿意的結(jié)果，這一問題急待解決，如能克服困難，將會對一系列重要流動問題的求解以及對物理本質(zhì)的認(rèn)識起重大的作用。
　　近20年來渦動力學(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，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)雜流場計算
　　這里所指的復(fù)雜流場是指:具有多種流動狀態(tài)或結(jié)構(gòu)的流場、多種物理效應(yīng)并存的流場等，例如波和渦相互作用的流場、激波和附面層相互干擾的流場、湍流脈動噪聲等。
　　由于工程要求越來越高，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)計算。近十年來出現(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)的計算工作。這些工作都利用了超級計算機(jī)，為復(fù)雜流場的計算指出了方向。
　　計算復(fù)雜流場一方面需要發(fā)展具有高分辨力的計算方法和具有高分辨力的流動顯示及量測技術(shù); 另一方面還要求對單一的非線性的基本流動規(guī)律有更深入的認(rèn)識。否則對計算結(jié)果的分析和總結(jié)仍會束手無策，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、飛行器穿過云層時水晶和水滴的運(yùn)動等，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。
　　近年來已經(jīng)出現(xiàn)一些從流動穩(wěn)定性的分析來得到無量綱的穩(wěn)定性條件的較好的工作。更多的工作還是結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，設(shè)計和進(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，對于某些流動圖案或機(jī)制可以做出定性的說明。隨著計算機(jī)技術(shù)和并行算法的飛速發(fā)展，用這些方法進(jìn)行定量計算的日子也不會太遙遠(yuǎn)了。
（8）非平衡流
　　非平衡流的研究主要有兩個方面，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，空氣動力加熱引起的高溫使空氣的轉(zhuǎn)動、振動能態(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)，松弛時間和流動特征時間相近，非平衡效應(yīng)主要發(fā)生在稀薄氣體和連續(xù)介質(zhì)間的過渡區(qū)。在這一區(qū)內(nèi)，計及化學(xué)反應(yīng)和熱輻射的分子運(yùn)動論還很不完備，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，經(jīng)25年發(fā)展起來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)的非平衡問題，這是非平衡流研究中的一個重大進(jìn)步。此法適用范圍極廣，可用于過流區(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)的精確測定和進(jìn)行物理力學(xué)方面的研究。
　　在燃燒和反應(yīng)流動的研究中，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)。用分子動力學(xué)方法模擬此類問題有助于定性說明問題。在這一范圍里，燃燒向爆震的轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究，流化床中流動結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過程的研究均涉及流動、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)問題中解決具體問題的理論。今后仍應(yīng)不斷地研究改進(jìn)以解決更多的工程技術(shù)問題。統(tǒng)計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)，為湍流研究開辟了一個重要方向，從此湍流被公認(rèn)為具有確定性與隨機(jī)性，有序和無序并存的系統(tǒng)。近年來，由于實(shí)驗(yàn)手段及數(shù)值模擬的進(jìn)展，對其現(xiàn)象已有較多的認(rèn)識。已經(jīng)提出了一些理論來解釋其生成的原因。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。人們開始改變了長期以來認(rèn)為物體愈光滑，在流體中運(yùn)動時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，還可能在對我國有特殊意義的泥沙問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)在起動泥沙中起主導(dǎo)作用。在實(shí)際觀測中發(fā)現(xiàn)的底層泥沙成塊起動而不是一大片同時起動，是這種觀點(diǎn)的一個有力印證。
　　流動穩(wěn)定性理論是研究從層流變?yōu)橥牧鳈C(jī)理的理論。多年來也取得了很大的進(jìn)展。其線性理論的研究對應(yīng)用數(shù)學(xué)中的“漸近匹配法”也起了很大的推動作用，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，也與流動不穩(wěn)定性有關(guān)。因此，作為湍流研究的一個重要方面，流動穩(wěn)定性的研究也應(yīng)放在一個重要方面。
　　隨著計算機(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)動的一個重要分支。通過數(shù)值計算，復(fù)雜的湍流運(yùn)動有可能在計算機(jī)中模擬出來，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)值模擬由于受計算機(jī)硬件的限制，應(yīng)用它來解決工業(yè)問題尚有很長的一段路要走。然而，湍流的模式理論，以及在不久的將來的大渦模擬，則可直接服務(wù)于工程流動問題。因此，發(fā)展湍流模式理論與大渦模擬方法在我國有著重要而實(shí)際的意義。
　　我國湍流研究在周培源教授開創(chuàng)性工作的帶動下，已形成了一批力量并取得了一批成果。幾個高等學(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)動的空氣和水流都是湍流，所以湍流研究的任何一個重要進(jìn)展，都會大大提高人類認(rèn)識自然的能力，也會對一大片工程技術(shù)問題的
進(jìn)展提供有力的手段。所以我國應(yīng)當(dāng)并且也有可能把現(xiàn)有的力量組織起來，協(xié)同攻關(guān)，以期在不遠(yuǎn)的將來，使我國在湍流研究上進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

（2）分離、旋渦運(yùn)動的機(jī)理及對其控制和利用的研究
　　分離和旋渦運(yùn)動是飛行器、船艦運(yùn)動中最普遍的現(xiàn)象。特別是現(xiàn)在對作戰(zhàn)飛機(jī)提出了越來越高的機(jī)動性及敏捷性的要求，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)受力的不對稱及失去控制。目前對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，但在非定常情況下的認(rèn)識還很不夠。對一些已觀察到的現(xiàn)象還不能提供機(jī)理性的說明。
　　大攻角下流場及渦系失去對稱性以及非定常飛行時氣動力隨攻角變化滯后現(xiàn)象等等，都是湍流運(yùn)動的結(jié)果，也都是典型的分岔和非線性現(xiàn)象。對其研究不能指望用一般的已有的非線性方法或理論來解決。但反過來，這些問題的研究，卻有可能對整個非線性科學(xué)提供新的內(nèi)容和手段。
　　對于流動的分離，經(jīng)過多年的努力，包括我國科學(xué)家的工作，對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)還沒有一個公認(rèn)的說法。而流動的分離，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。特別是前述流動穩(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)識得很不深刻。在這方面，我們在充分利用現(xiàn)代計算技術(shù)的前提下，應(yīng)該借鑒前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)。前蘇聯(lián)的計算手段不如美國，但他們卻已經(jīng)制造出了其機(jī)動性和敏捷性令西方國家吃驚的飛機(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，對流動的機(jī)理有深刻的理解。
　　空-空導(dǎo)彈的高機(jī)動性要求，同樣會導(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)致我國在這方面的落后。在未來可能發(fā)生的戰(zhàn)爭中，就要吃大虧。
　　未來大型超音速民航機(jī)的發(fā)展，降低噪聲是能否使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。噪聲的最主要來源當(dāng)然是噴氣噪聲（順便提一下，50年代提出的流體動力噪聲理論，與傳統(tǒng)的聲學(xué)有很大的不同。實(shí)際上開辟了聲學(xué)研究的一大領(lǐng)域。這也可以說是流體力學(xué)對物理一個重要分支——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，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)制并對其進(jìn)行控制的重要性。
　　目前我國在基金委的支持下，已經(jīng)連續(xù)兩次設(shè)立了重大項(xiàng)目，目標(biāo)越來越明確，并已取得了一批成果，應(yīng)該堅(jiān)持下去。
（3）水動力學(xué)問題
　　船舶制造已有長遠(yuǎn)的歷史。似乎對一般船舶，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)時所產(chǎn)生的頭波阻力，至今也沒有準(zhǔn)確的算法。以至于還要進(jìn)行費(fèi)時費(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，使船舶阻力的計算有一個可靠的方法，使船舶的設(shè)計轉(zhuǎn)到更現(xiàn)代化的手段上來。
　　船在大浪中航行時，會產(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)入下一個波峰之下，大量的水涌上或拍擊到甲板上。這會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，已有十多艘在北海航行的巨輪受到破壞。對這種砰擊所產(chǎn)生的載荷，至今沒有一個計算辦法，靠加大安全系數(shù)的辦法是一個極不經(jīng)濟(jì)的辦法。若用提高鋼板強(qiáng)度要求的辦法來解決，則因一艘大船所用的鋼材要以萬噸計，顯然是很不經(jīng)濟(jì)的途徑，因此這一問題值得認(rèn)真研究。整個問題，必須包含正、反兩個方面。即由已知有旋流場或海流，推出波浪參數(shù)變化，同時要研究從已知的波譜變化，反推有旋流場及海流。并進(jìn)而推導(dǎo)產(chǎn)生包含有旋流場的潛艇航向、航速、深度及位置，這自然要包括潛艇航行時尾跡特性及其演化的研究。所以這是一個內(nèi)容豐富而復(fù)雜的問題，在學(xué)術(shù)上和應(yīng)用前景上均有重要意義。
　　潛艇航行時，會產(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旋的假定下進(jìn)行的。波浪從無旋區(qū)向有旋區(qū)傳播，其參數(shù)會產(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到的波譜反演出潛艇的航跡，從而為探測潛艇提供一個新的方法。
　　為防潛艇被探測，還要盡量減少其噪聲。在低速航行時，主要噪聲源是螺旋槳及艇體的振動。這些振動與螺旋漿后產(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，時速達(dá)350km/h。這種“船舶”從水中航行開始，迅速升出水面，大部分時間貼近水面飛行，好處是: 既增加升力，又對雷達(dá)探測起到隱身作用。要研究的流體力學(xué)問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)浪相互作用問題
　　波浪理論也有很長的歷史，如前所述，其發(fā)展對非線性科學(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，還有一大塊有待開發(fā)的領(lǐng)域。這就是風(fēng)浪相互作用問題。這是在大洋上每時每刻都在發(fā)生的現(xiàn)象。它有兩個重要方面。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）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。這是整個地球環(huán)流的一個重要環(huán)節(jié)，是長期天氣與氣候預(yù)報中必須了解的一環(huán)。這一問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，也還沒有一個令人滿意的理論。所以從研究大氣環(huán)流的需要看，只能靠一些現(xiàn)場觀測和經(jīng)驗(yàn)公式來處理。影響現(xiàn)場觀測的因素太多，不可能得到可靠的因果關(guān)系，至少對其機(jī)理應(yīng)該進(jìn)行更深入的研究，然后才有可能從實(shí)測資料得到更可靠的規(guī)律。過去的研究，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，能夠把這一困難問題的解決，向前推進(jìn)一大步。
　　風(fēng)浪相互作用的研究還是最近國際上正在探索的通過遙測波譜來探測海面上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題。比如: 化工是國民經(jīng)濟(jì)中一個極為重要的產(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題。
　　一個化工產(chǎn)品，從實(shí)驗(yàn)室開始到大規(guī)模生產(chǎn)，其中要經(jīng)過小試、中試等階段。這主要不是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)不清楚，而是流動狀態(tài)不清楚。據(jù)說美國在某些情況下，已能免去小試、中試等過程，原因就在于他們對某些設(shè)備的流體力學(xué)問題弄得比較清楚。
　　與化工有關(guān)的問題多半是多相的、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，穿過孔洞流上來，在此過程中完成傳質(zhì)、傳熱或其它物理、化學(xué)過程，其復(fù)雜性可想而知。因此要想徹底弄清，得到一個普適的公式是不現(xiàn)實(shí)的。更現(xiàn)實(shí)的方法是針對一些典型的設(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，由于流體力學(xué)基礎(chǔ)研究取得的進(jìn)展，已使人們認(rèn)識到混合實(shí)驗(yàn)上有三個層次。首先是大尺度運(yùn)動使物料達(dá)到大范圍均勻化，同時小尺度結(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)。這個看法看起來似乎是顯而易見的，但對各層次進(jìn)行定量描述則必須對流動，包括湍流有深入了解。這方面還有很多工作要做。近年來發(fā)展起來的分形和混沌理論，實(shí)際上已和這類問題結(jié)合起來了。
　　這里特別應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是: 近年來，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，在外加電場作用下，電流變液的粘性會迅速增大，從牛頓流體變?yōu)榉桥ｎD流體。其響應(yīng)時間一般僅為毫秒量級，并且是可逆的。電流變液所呈現(xiàn)的奇特的力學(xué)特性和流動規(guī)律給流體力學(xué)的研究提出了一系列新的問題，啟示我們通過
流體力學(xué)和其它學(xué)科的不斷結(jié)合開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)對這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。
（6）計算方法的研究
　　由于計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算作為一種研究手段，已越來越多地滲入到各種學(xué)科中去。反過來，各種問題的需要，又促進(jìn)了計算方法的研究和發(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)計算的需要，有限差分法的發(fā)展則起了決定性作用。為了計算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場，已經(jīng)發(fā)展了各種高精度、高分辨率、無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)雜物體繞流計算方面，在網(wǎng)格生成和計算方法上仍有待突破，這是計算流體力學(xué)能否解決實(shí)際復(fù)雜問題的關(guān)鍵。湍流數(shù)值模擬的需要，對計算機(jī)的速度和內(nèi)存，提出了更高的要求。看來單純從提高機(jī)器速度及內(nèi)存已無法滿足要求，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)問題離散化使每一步的計算大大簡化�？傊牧鲾�(shù)值模擬方法的研究將仍是十分活躍的研究領(lǐng)域。
　　有可動邊界，如水波等的自由表面問題，邊界條件引起的非線性影響不能忽略，其計算方法至今仍是一個難題，有待繼續(xù)研究。
　　隨著計算機(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)注意針對某幾類典型問題，研究和設(shè)計快速有效的并行算法及與之配套的專用的并行計算機(jī)�？梢栽O(shè)想，將來有一天，也許可以為計算網(wǎng)格（不管用什么方法離散化）的每一個節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個微處理器，這種計算實(shí)際上幾乎是實(shí)時進(jìn)行的，與真實(shí)流動一樣。
　　我們相信，將流體力學(xué)計算的需要，和計算技術(shù)的硬件及軟件技術(shù)發(fā)展結(jié)合起來，有可能在科學(xué)計算上取得重大的突破。
（7）實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究
　　由于計算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、圖像技術(shù)等方面的不斷進(jìn)步，大大推動了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。粒子圖像測速技術(shù)（PIV）的空間分辨率已達(dá)毫米量級，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PIV（DPIV）技術(shù)也是一個很有吸引力的研究方向。粒子跡線測速（PTV）技術(shù)在二維測量中已成熟，其三維技術(shù)也是國際上的熱門課題。PIV和PTV作為全流場測試技術(shù)，對認(rèn)識流場時空結(jié)構(gòu)像湍流、非定常流等復(fù)雜流動提供了有效的測量手段，值
得加強(qiáng)這些方面的研究。在測速方面，激光測速技術(shù)是另一有前景的發(fā)展方向。在壓力測量方面，發(fā)展高精度、高靈敏度、動態(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)。在密度測量和溫度測量方面也有進(jìn)展。對復(fù)雜流動空間密度場的定量測量仍然是一個十分困難的問題，應(yīng)加強(qiáng)研究。如何將近10年來發(fā)展起來的熱圖技術(shù)（thermography）更好地用于溫度場測量也是一個重要的研究方向。
　　流體力學(xué)問題的研究越來越深，對實(shí)驗(yàn)技術(shù)的要求也越來越高，尤其在三維復(fù)雜流動及實(shí)時測量方面，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，滲流的研究從地下水的流動開始。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計民生有重大關(guān)系的問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。簡單地開采只能把地下儲油的一小部分開采出來，要想提高采油率，不得不對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。
　　我國科學(xué)家通過由他們創(chuàng)造的滲流觀測模型，觀測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，但已對我國石油開采做出了重要的貢獻(xiàn)。如能進(jìn)一步開展工作，對其規(guī)律有進(jìn)一步的了解，對我國這樣石油資源相對并不富裕的國家將會產(chǎn)生巨大
的經(jīng)濟(jì)效益。
　　煤層氣的開采，是另一種潛在能源，在美國已初步形成產(chǎn)業(yè)。我國煤藏十分豐富，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，而不是簡單地充滿孔隙，很多基礎(chǔ)問題需要研究。
　　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)體液流動機(jī)理的基礎(chǔ)。例如高大樹木從根系吸收水分后如何輸運(yùn)到離地幾十米的枝葉，至今仍是個謎。動物體內(nèi)的體液除了一部分明顯地在管道中，如血管中流動外，大部分是以滲流形式在運(yùn)動，其流動規(guī)律已經(jīng)肯定不服從傳統(tǒng)的達(dá)西定律。對其研究將對生命科學(xué)和生物技術(shù)提供重要的理論基礎(chǔ)。
　　還有一些對國民經(jīng)濟(jì)有重要意義的產(chǎn)業(yè)都有其各自的滲流問題。如青海鹽湖鹵的滲流伴有結(jié)晶過程，地下熱能的開發(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)、集中是成礦過程的一個重要部分，核廢料儲存中有關(guān)的滲流問題，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問題。有兩個應(yīng)用方面，一是研究飛行器高超聲速飛行時，外部高溫氣流產(chǎn)生的氣動力、氣動熱和等離子體環(huán)境的計算。這些都是氣動設(shè)計和通訊設(shè)計所需的。二是研究吸氣式發(fā)動機(jī)內(nèi)H2、O2氣體的流動，包括點(diǎn)火、燃燒、吸氣和排氣，這是設(shè)計吸氣式發(fā)動機(jī)所需的。
　　在60年代，對有化學(xué)反應(yīng)的高溫氣流已作了許多研究。但當(dāng)時僅考慮了化學(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。此時熱平衡的假定常常帶來顯著偏差，必須考慮熱和化學(xué)均為非平衡的流動。與此對應(yīng)，何種化學(xué)反應(yīng)模式最為合適，也提出了與60年代不同的見解。這就是當(dāng)今高溫空氣動力學(xué)正在探索的熱、化學(xué)非平衡流的模式問題。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)還有各種溫度的計算問題，都需要研究。在H2、O2燃燒流動中，由于過去研究不多，模式問題更為突出，同時，超聲速流中H2、O2氣體的混合問題、點(diǎn)火問題都急待解決，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，描述熱、化學(xué)非平衡流動的方程組是很復(fù)雜的，如何快速、有效地求解則是另一個重要問題。困難還在于方程組的剛性及多個方程必須耦合計算。
　　第三個方面是要研究非平衡流動的局部模擬。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，對開展實(shí)驗(yàn)研究是重要的。
　　開展熱、化學(xué)非平衡流的研究，需要反應(yīng)的化學(xué)動力學(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，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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