流體史——現代流體力學之父

概述:

路德維希·普朗特(Ludwig Prandtl,1875.2.4-1953.8.15)德國物理學家,近代力學奠基人之一。

流體史——現代流體力學之父

1901~1904年先後任漢諾威大學和格丁根大學教授。1925年開始擔任馬克斯·普朗克流體力學研究所所長。他初學機械工程,1899年獲彈性力學博士後去工廠工作。1900年去高校任教時進行水槽實驗,觀察到邊界層和它的分離現象,並求出邊界層方程及其解。1904年後被聘去格丁根大學建立應用力學系、創立空氣動力實驗所和流體力學研究所,自此從事空氣動力學的研究和教學。他在邊界層理論、風洞實驗技術、機翼理論、紊流理論等方面都作出了重要的貢獻,被稱作空氣動力學之父和現代流體力學之父。

主要貢獻:

19世紀末,流體力學研究有兩個互不相通的方向。一個是數學理論流體力學或水動力學,當時已達到較高水平,但計算結果與一些實驗很不相符。另一個是水力學,它主要根據實驗結果歸納出半經驗公式,應用於工程實際。普朗特的邊界層理論把理論和實驗結合起來,奠定了現代流體力學的基礎。

普朗特重視觀察和分析力學現象,養成非凡的直觀洞察能力,善於抓住物理本質,概括出數學方程。他曾說:“我只是在相信自己對物理本質已經有深入瞭解以後,才想到數學方程。方程的用處是說出量的大小,這是直觀得不到的,同時它也證明結論是否正確。”

普朗特還對可壓縮性問題進行了研究,提出普朗特-葛勞渥修正公式。在二戰期間,當飛機飛行速度接近聲速時,這個公式發揮了重要作用。普朗特在流變學、彈性力學和結構力學方面也有諸多貢獻。

普朗特在固體力學方面也有不少貢獻。他的博士論文探討了狹長矩形截面梁的側向穩定性。1903年提出了柱體扭轉問題的薄膜比擬法。他繼承並推廣了A.J.C.聖維南所開創的塑性流動的研究。T.von卡門在他指導下完成的博士論文是關於柱體塑性區的屈曲問題。普朗特還解決了半無限體受狹條均勻壓力時的塑性流動分析。著有《普朗特全集》、《流體力學概論》,此外還與O.G.蒂瓊合寫《應用水動力學和空氣動力學》(1931)等。

1901年在機械廠工作,發現了氣流分離問題。後在漢諾威大學任教授時,用自制水槽觀察繞曲面的流動,3年後提出邊界層理論,建立繞物體流動的小粘性邊界層方程,以解決計算摩擦阻力、求解分離區和熱交換等問題。奠定了現代流體力學的基礎。

流體史——現代流體力學之父

普朗特在流體力學方面的其他貢獻有:

①風洞實驗技術。他認為研究空氣動力學必須作模型實驗。1906年建造了德國第一個風洞(見空氣動力學實驗),1917年又建成格丁根式風洞。開創風洞模型實驗技術,推動了空氣動力學研究

②機翼理論。在實驗基礎上,他於1913~1918年提出了舉力線理論和最小誘導阻力理論,後又提出舉力面理論等。提出升力線、升力面理論等,充實了機翼理論。相關的工作在1918-1919年間發表,此即“蘭開斯特-普朗特機翼理論”。後來普朗特還專門研究了帶彎度翼型的氣動問題,並提出簡化的薄翼理論。這項工作使人們認識到對於有限翼展機翼,翼尖效應對機翼整體性能的重要性。這項工作的主要貢獻在於指出翼尖渦和誘導阻力的本性,在這些理論的指導下,飛機設計師們第一次可以在飛機被製造出來之前就能瞭解其基本性能。

③湍流理論。提出層流穩定性和湍流混合長度理論。此外還有亞聲速相似律和可壓縮繞角膨脹流動,後被稱為普朗特-邁耶爾流動。

④提出邊界層理論,研究層流穩定性和湍流邊界層,為計算飛行器阻力、控制氣流分離和計算熱交換等奠定了基礎。

他在氣象學方面也有創造性論著。普朗特與蒂瓊合著的《應用水動力學和空氣動力學》於1931年出版。他的專著《流體力學概論》於1942年出版,中文譯本在1974年出版。他的力學論文彙編為3卷本《全集》,於1961年出版。

他創立了邊界層理論、薄翼理論、升力線理論,研究了超聲速流動,提出普朗特-葛勞渥法則,並與他的學生梅耶(Meyer)一起研究了膨脹波現象(普朗特-梅耶流動),並首次提出超聲速噴管設計方法。普朗特的開創性工作,將19世紀末期的水力學和水動力學研究統一起來,被稱為“現代流體力學之父”。


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