连续介质力学的发展方向和问题 扛1.M,谢道夫 我这里谈谈现代力学发展的基本特点,它的一些新方向和最迫切的问题 、现代力学的特点 在我们时代,力学的第一个特点是它跟物理学及其他自然科学日益增长的深刻联 系。可以说,物理学和力学在原则基础方面是一个不可分的整体,它们的许多差异只是 在术语上。这牵涉到两门科学的内容、理论研究方法和实验研究方法。 以前物理学家和化学家从事的许多传统问题(各种扰动的传播,状态方程,分子运 动论方程等等),现在力学家也在搞了。譬如物质和场中与运动不可分的典型的相互作 用便是这样。只有在力学领域的专家所发展和正在发展的理论方法和实验方法的基础 上,才有可能成功地研究这些相互作用。譬如化学反应动力学的许多成果,就应归功于 力学方面的理论和实验工作。 现代力学发展的第二个特点是它的技术化。技术、工业和其他科学应用中提出的无 数问题,大大推动物理学和力学的基础研究,在研究时以各种技术手段为柱石,利用完 普的测量仪器特别是自动化测量系统,以及带有电子计算机和各种复杂实验技术装置的 整理数据系统。没有这些,今天科学的进步是不可想象的。 当代拥有的强大计算手段和实验手段,决定了力学的第三个特点。力学的研究重心 已移到模拟的问题和新问题的良好提法上了。 目前,研究跟各种性质(力学,热,电动力学,化学,核等等)的复合相互作用有 关的过程,越来越重要。这些过程的特点是存在着多种多样的物质和场的状态。特别对 于可变形物体,必须描述它们接近断裂时具有的大应力状态。研究物质在很低或很高密 度及温度时的状态,强大的能量转换现象,非生物界及生物界的物理一化学过程和其他 过程,等等,是非常使人感兴趣的。为了了解和描述这类现象和过程,必须建立具有内 自由度的新模型,引进新的宏观特征量,确立决定这些特征量的新的普遍关系及特殊关 系——一定律,而这些定律跟已知的定律(如质量、能量、动量守恒律等)是无关的。 近十年来提出了各种新模型的大量工作,有用的模型跟实验的某些不一致表现得日 突出。假如对于象欧几里德空间、理想流体或纳维——斯托克斯粘性流体、虎克弹性 体这样一些基本的物理模型来说,它们在菲常广阔的领域里都跟实际很好符合,那么 对于象塑性体、等离子体、液体和气体湍流运动等许多新的模型来说,它们只在所涉 文中小标题是译者加的 S1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
连续介质力学的发展方 向和问题 几 谢道夫 我这 里 淡谈现代力 学发 展 的纂本 特点 , 它 的一 些新方 向 和 妓迫 切 的 问题 。 一 、 现代 力 学的特点 ’ 在我 们 时 代 , 力 学的 第一个 特点 是 它跟物理 学及 其他 自 然科 学 日益 增 一 长的 深刻 联 系 。 可 以 说 , 物 理学 和 力 学在原 则基 础方 面是一 个不 可 分的整 体 , 它 们的 许多差 异只 龙 在 术语 上 。 这 牵涉 瓢两 门科学 的 内容 、 理论研 究 方法 和 实验研究 方法 。 以 前 物理 学家 和 化 学家从 事 的许 多传统 问题 各种 扰 动的传 播 , 状态 方程 , 分 子运 动论 方程 等等 , 现在 力学家也 在 搞 了 。 譬 如物 质和场 中 与运功 不可 分的 典型 的相互 作 用便是 这 样 。 只 有在 力学 领域 的 专家 所发 展和 正在 发展 的理论 方法 和 实 验 方 法 的基 础 上 , 才有 可能成 功 地研 究这 些相 互 作用 。 譬 如化学 反应 动力 学 的许多成 果 , 就应 归功 于 力 学方面 的 理论 和 实验 工作 。 现 代力学 发展 的 第二 个特 点是 它 的技术化 。 技术 、 工 业和 其他 科学应 用 中提 出的无 数 问题 , 大 大推动 物理 学和 力学 的基础 研究 , 在 研究 时 以 各种 技术 手段为 柱石 , 利 用完 善 的测量仪 器特别 是 自动化 测量系 统 , 以及 带有 电子计算 机和 一 各种复 杂实 验技术 装置 的 整 理数据 系 统 。 没有这 些 , 今天科 学 的进 步是 不可 想象 的 。 当代 拥有 的 强 大计 算手段 和 实验 手段 , 决 定了 力学 的 第三 个 特点 。 力 学 的研究 重心 已 移到模 拟的 问题 和 新问题 的 良好提法 上 了 。 目前 , 研 究跟 各种 性质 力 学 , 热 , 电动 力学 , 化学 , 核 等等 的 复合 相互 作用有 关 的 过程 , 越来 越 重要 。 这些 过程 的特点 是存 在着 多种 多样 的物 质和 场 的状态 。 特 别对 于可 变形 物体 , 必须 描述 它们 接近 断裂 时具有 的大 应 力状态 。 研 究物 质在 很低 或很高 密 度 及温 度 时 的 状态 , 强 大 的 能 量转换 现 象 , 非生 物 界及 生物 界的 物理一化 学过 程和 其他 过 程 , 等 等 , 是 非 常使人感 兴趣 的 。 为 了 了 解 和描 述这 类现 象和 过程 , 必须 建立具 有 内 自由度 的新模型 , 引进新 的宏 观特 征量 , 确立决 定这 些特 征量 的新 的普遍 关 系及特 殊关 系— 定律 , 而这 些定律跟 已知 的定律 如质 量 、 能 量 、 动 量守 恒律 等 是 无关的 。 近 十年来 提 出 了各种新 模型 的大 量工 作 , 有 用 的 模型跟 实验 的某 些不一 致表 现得 日 益突 出 。 假 如对 于 象欧几 里德空 间 、 理 想 流体或 纳维— 斯托 克斯 粘 性流体 、 虎 克弹 性 体这 样一 些 基本 的物理 模型来 说 , 它 们在 非常广 阔 的 领 域里都 跟 实际很 好符 合 , 那 么 , 对于 象塑 性体 、 等 离子体 、 液 体和 气体湍 流 运动 等许 多 新 的模型 来 说 , 它 们只在 所涉 文中小 标题是译者加 的
及那类现象和领域的极狹窄范围内才跟实验符合,并且一般说来跟实验缺乏明显的 二、新的模型和模拟 要想整理和简述关于跫立逹续介质各种模型的巳发表的大批文献,必须从统一原则 出发写出一本关于模拟力学对象的一般理论的专著。这里列举一些取自近三、四十年工 作中的非古典模型和模拟的例子 1.非线性弹性体模型; 2.非牛顿液体和气体模型; 3.强化塑性体模型 4.连续统位错的统计和动力模型; 5 Koccep模型及具内自由度的其他类似的更一般的模型 6考虑时间效应的可变形固体模型; 7.考虑所求函數对坐标和时间的各阶导数的热力影响的可变形介质模型; 8,非均匀各向异性可变形囿体和液体(特别是液晶)模型; 9跟辐射(例如在中子的辐照下)相互作用的物质介质模型; 10.含固体微粒的液体和气体悬浮体模型; 11.含气泡的液体模型; 12,考虑有相变、化学反应和核反应、扩散、传热、辐射以及粘性的各种物质及其 各相的混合物模型; 13。液休和气体的各种湍流模型; 14,跟电磁场相互作用的物质介质(等离子体,物体跟光相互作用,磁化及极化固体、 液体和气体介质,电磁场中含极化及磁化粒子的液体,等等)的模型; 15.各种土壤(特别是地质岩石、冰、雪,等等)模型 16.陶瓷物质(包抱高温状态)的模拟; 17,液体和气体在各种土壤内渗滤现象的模拟; 18高密度和超高密度下的物质模型 19,高度放电下的气体和等离子体模型; 20,大气中以及行星和恒星周围空间中物质和场的模拟 21,液体、气体、等离子体和固体中接触层及边界层的各种间断结构模型; 22,板、壳、杆和各种可变形膜的模型; 23,多种多样生物对象和过程的模型; 24,宏观效应具有量子性质的液体的模型; 25,空间一时间和各种物理场的模拟。 现在讲发展方向和具体问题。它们是在古典模型范围内必须发展和解决的,或是利 用上列模型必须发展和解决的,或是根据最近将来要求建立的新的专门模型必须发展和 解决的。 为此,除了认真研究实验方法外,发展利用高速电子计算机的计算方法极其重要。 o1994-2013ChinaAcademicjOurnaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
及那 类现 象和 领域 的极狭 窄范 围 内才跟实 验符合 , 并且 一般 说来跟 实验 缺 乏 明显 的一 致 。 二 、 新 的模型和模拟 要 想整 理和 简 述关 于 建 盆连 续介质 各种模型 的 已 发表 的大 批 文献 , 必须 从 统一原 财 出发 写 出一 本关 于模拟 力学对 象的 一般 理论 的专著 。 这 里列举 一 些取 自近 三 、 四 十年 工 作 中的非古 典 模型和 模 拟的例 子 非 线性 弹性休模 塑 。 非 牛 顿液体和 气 休 模型 强化塑 性体模型 连 续统 位错的统 计和 动 力模型 模型及具 内自由度 的其 他类似 的更一般 的 模型 考 虑时 间效应 的可变形 固体 模型 考 虑所 求函 数 对坐 标 和 时 间 的各阶导数 的热力 影响 的可 变形介 质模型 。 非均匀 各 向异 性可变 形固体 和液体 特别 是 液 晶 模型 跟 辐射 例 如在 中子 均辐 照下 相互作 用 的物 质介 质模型 含 固体 微粒 的液体 不「 气体悬 浮体 模型 , 含气 泡的液体 模型 考 虑有 相变 、 化 学反应 和核反应 、 扩散 、 传 热 、 辐射 以 及粘性 的各种物 质及 其 各相 的混 合物模型 液体 和 气体的 各 种湍流模型 跟 电磁 场相互 作用 的物质介 质 等离 子 体 , 物 体跟 光相互 作用 , 磁 化及 极化 固体 、 液 休和气 体介质 , 电磁 场 中含极化 及磁化 粒子 的液体 , 等 等 的 模型 各种 土壤 特 别是 地质岩 石 、 冰 、 雪 , 等等 模型 陶 瓷物质 包抱 高温状态 的模拟 液体 和 气体 在各种土壤 内渗滤 现象 的 模拟 饥高 密度 和超高 密度下 的物质 模型 高度 放 电下的气 体和 等离子体 模型 大 气 中以 及行 星和 恒 星周 围空 间 中物质 和 场的 模拟 液休 、 气体 、 等离子体 和 固体 中接 触层 及 边界层 的 各种间断 结构 模型 板 、 壳 、 杆和 各种可 变形膜 的模 型 多种 多 样生 物对 象和过程 的模型 宏 观效应 具有 量子性质 的液 体的 模型 空 间一 时间和 各种物理 场的 模拟 。 现 在讲 发展方 向和 具体 问题 。 它 们是 在古 典模 型 范 围内必须 发展和 解决 的 , 或 是 利 用上 列模型必 须 发展和 解决 的 , 或 是 根据 最近 将来要 求建 立 的新 的专 门 模型 必 须发 展和 解决 的 。 为 此 , 除了认 真研究 实验方法 外 , 发展利 用高速 电子 计算机 的计算方 法极 其重要 。
电子计算机的应用改变了关于力学问题的可解性概念。例如,具有间断面的液体和气体 非定常运动的许多水动力学和空气动力学问题,物体的弹塑性混合变形问题,等等。 改进气象学理论和改进天气预报(特别应指出关于发生风暴问题)的数值计算方 法,具有巨大的意义。 为了用电子计算机求力学问题的数值解,必须进一步研究稳定而有效的算法和程 序。发展复杂模型范围内以及根据求解普遍积分力程和各种有限元法算法所提出问题范 围内的解法,尤为重要。 、强度理论和断裂理论 可变形固体的强度理论和断裂理论近年来有巨大的进展。裂纹理论的发展,有助于 深刻了解引起整体不稳定性现象那样的许多断裂效应,这种不稳定性是在许多情况下由 裂纹的发生、积累和雪崩式增长所决定的局部条件激起的。 在这氛域里要求改进斷裂准则概念。目前成功地宣传了断裂现象的新观点,这种观 点考虑了各种材料的各种断裂机理。产品的各种局部和整体的断裂准则和机理,可能受 成这些产晶的材料(单晶的、多品的或聚合物的,复合的、陶瓷、等等)所制约。位 错、塑性变形、蠕变的残余变形以及其他时间效应,通常发生在新裂之前。因此,脆性 时间发展的断裂理论,通常是密切联系弹塑性、粘弹性、粘塑性以及其他可变形物你 模型的理论而建立的 在现代工程技术中,对于许多结构和材料来说,在热及其他物理效应(包括各种 应)作幫下的方强度和周期性强度、振动强度、疲劳等问题都是很重要的。强度 簖褻理论发扆的逻貂,迫使科研人员对这些物理效应作岀热力学解釋。在这里,起重 要作用的有实践经验的积累,经验公式的积累,将实验室及生(特别是各工程技术部 门中机器零件的使用)中得到的实验数据,加以统计整理而得各种论断的积累。 由于初步形成了新的处理断裂现象的方法,就出现了建立全新强度理论基础的良好 前景。 四、化工中的力学问题 当前,化工中的力学问题具有特殊意义。化工生产过程常常是在含有气泡或固体微 粒的体或气体的湍流中进行的。同时在这些流动中遗行着化学反应或相变。寻求最 的工况,在许多情况下成汋液体空气动力学问题,例如在沸腾床内实现混合物运动和 化学反应的飞溅工况,传热问题,参量均匀分布问题,过热或腐蚀的消除等等 为了解决这些问题,必须利用与连续介质新模型有关的理论方法和各种实验数据。 因此就产生了许多很重要但还未充分搞清楚的问题,特别是关于把实验室的成果放大成 实际生产规模的尺度效应问题 五、控制问题 近年来连续介质中的过程控制,特别是通过非均匀、非定常分布的连续统系统的相 o1994-2013ChinaAcademicjOurnaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
电子计 算机 的应用 改变 了关 于力 学 问题 的 可解 性概 念 。 例 如 , 具有 间 断面 的液体 和气 体 非定 常运动 的 许多水 动力 学和 空气 动力学 问题 , 物 体的 弹 塑性混 合变 形 问题 , 等等 。 改 进气 象学理 论 和 改 进天 气预 报 特 别应 指 出关于 发生 风暴 问题 的 数 值 计算 方 法 , 具有 巨 大 的意义 。 为 了 用 电子计算 机求 力学 问题 的数 值 解 , 必须 进一 步 研究 稳定 而有 效 的 算法 和 程 序 。 发 展复杂 模型 范 围 内 以 及根据 求解 普遍 积 分方程 厂 和 各种 有 限 元 法算法 所 提出 问题 范 围 内 的解法 , 尤为贡 要 。 三 、 强 度理 论和 断 裂理 论 可 变形 固体 的强度 理论 和断裂 理 论近年来 有 巨大 的 进 展 。 裂 纹理论 的发展 , 有 助 于 深 刻 了解引起 整体 不稳 定性 现象那 样 的许多断 裂 效应 , 这 种 不 稳定 性是在 许 多情 况 下 由 裂 纹 的 发生 、 积 累和雪 崩式增 长所 决定 的 局 部条 件激起 的 。 在 这 领域 里要求改 进断 裂准 则概 念 。 口前成 功地 宣传 了断 裂现 象的新 观点 , 这 种 观 点考 虑 了各种 材料 的 各种断 裂机理 。 产 品 的各种 局 部和 整 体 的断裂 准 则和机 理 , 可能受 制成 这些 产品 的 材料 单 晶 的 、 多晶 的或聚 合 物的 , 复合 的 、 陶 瓷 、 等等 所制约 。 位 错 、 塑性 变形 、 蠕 变的残 余变 形 以及 其 他时 问效应 , 通 常发 生在 断裂 之前 。 因此 , 脆 性及 随 时 间发展 的 断裂理 论 , 通 常是 密切联 系弹塑性 、 粘 弹 性 、 粘 妙性以 及其 他可 变形 物 休 模型 的 理论 而建 立 的 。 在 现 代工 程技 术 中 , 对 于 许多 结构 和 材料 来 说 , 在 热 及其他 物理 效应 包括 各种 辐 只效 应 作用 卜的 功 力 强度 和 周 期 性 强度 、 振 动 强度 、 疲劳 等 问题都 是很 重要 的 。 弧度 和 断 裂理 论发展 的 逻 价 , 迫使科 研人 员对这 些 物理 效应作 出热力 学解 释 。 在这 里 , 起 重 要 作用 的有 实践 经验 的 积累 , 经 验 公式 的积累 , 将 实验 室及 生产 特 另是 各工程 技术 邝 门 巾机 器 零件 灼 使用 中得 到 的实验 数据 , 加 以 统计 整理 而得 灼 各种论 断 的 积累 。 山于 初步形成 了 新 的 处理 断裂 现象 的 方法 , 就 出现 了 建 立全新 强度 理 论基础 的 良少子 前景 。 四 、 化工 中的力 学问 题 当前 , 化 工 中的 力 学 问题具有 特殊 意义 。 化工生 产 过程 常常是在 含有气 泡或 固体 微 粒寸液体或 气体 的湍 流 中进 行 灼 。 同时在这 些流 动 巾进行 着化 学反应 或 相变 。 寻求 最任 的工况 , 在 许多 情况 下成为 液体 空 气 动力 学 问题 , 例 如在 沸腾 床内实 现混合 物 运劝 和 化学反 应的 飞溅 工况 , 传 热 问题 , ’ 参量 均匀 分布 问题 , 过 热或腐蚀 的 消 除等等 。 为了解决这 些问题 , 必须 利 用 与连 续介质 新模型有关的理论 方法 和 各种 实验 数据 。 因此就 产生 了许多很 重要 但还 未充 分搞 清楚 的 问题 , 特 别是 关于 把实 验室 的成 果放大成 实 际生 产规 模的尺 度 效应 问题 。 五 、 控 制 问 题 近 年来 连 续介质 中的过 程控 制 , 特别是 通过 非均 匀 、 非定 常分布 的连 续统 系统 的相
互作用来抑制各种扰动的不稳定性的问题,具有越来越大的意义。 因此发生了两个连续统系统相互作用的问题,其中一个系统在组成具有给定运动工 况和具有所需流动结构和性质的过程中,起着基本作用。另一系统是辅助系统,它担负 着控制头一个系统中特征量和动力现象的任务。设计人员依所提出的目的来挑选控制系 统。两个系统都用偏微分方程来描述,并且基本的相互作用可以在相应的分界面上实 现,分界面上应满足边界条件。这些分界面及相应条件可通过改变辅助系统的流变性质 及外部相互作用(例如用电磁力或其它办法)的方法来调节,也可以通过内部分布的能 源,特別是通过外壳或具有薄壳系统的复杂介质形式来实现调节,连续介质力学的这 新的重要领域的工作风行一时,但还非常希望扩大它们的范围,并把所得结果用到各种 应用中去 上述思想在高温等离子体的运动稳定性问题中得到了体现。 应用这些原理来维持合适的化学反应工况是有前途的,由于不稳定性,没有调节系 统是不能实现这些化学反应工况的 类似的自动控制问题是由船舶、飞机和地面建筑物上出现液体弹性和空气彈性效应 所提出并解决的。看来,在生物力学中,在模拟肌肉的工作时,在研究神经刺激的传播 时,以及在生物机体中发生的其他过程中,也遇到用改变流体性质来进行控制的问题。 六、湍流 长时期来许多研究人员把注意力集中在液体和气体的湍流这一领域。对一系列重要 现象确定了特征量,研究了计算方法,阐明了很有用的各种定性和定量规律。可是,在 描述与液体及气体的湍流运动同时发生的某些特征效应时却是含含糊糊的 在湍流理论及连续介质的其他理论中,可以使用各种方法来引进平均量。但在这 里,基本思想是把平均量实际上作为相当小平均范围内的“常”量而引进的 把湍流实验中按时间得到的当地平均量跟计算得到的平均量相比较,并不能反映出 各种求平均的理论方法的差异所产生的不同理论之间的微妙之 对于平均量可以引进如下一些基本概念:动能和内能,内应力,湍流粘性系数,质 量力等等。确定这类量和相应于它们的方程(守恒律,状态方程)的方法,应当跟实验 中确定平均量的方法相联系 可以对湍流方面的理论工作,特别是某些小效应统计理论,提出许多意见。但我仅 仅指岀,某些现有的湍流理论和整理实验结奡方法,需要重新评价和彻底批判。对现 有的或正在深入研究的各种介质湍流模型的应用范围,也必须加以分析。 近来成功地使用着各种古典的和新的测量流动的手段,例如用各种光线探测液体和 ξ体流动的方法和应用全息方法。出现了系统跑进行精细物理实验的可能性。过这些 实验,可以更深刻了解层流不稳定现象的发生和湍流边界层的分离,可以描述液体及气 体跟各种孤立的或密集分布的悬浮微粒、液滴或气泡的相互作用。还将可以观察卲描述 湍流中化学变化和相变的重要特点等等 大家知道,在某些情况下,聚合物添加剂对团壁附近或自由射流边界附近的湍流边 界层有巨大的影响。 o1994-2013ChinaAcademicjOurnaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
互作用 来 抑制各种 扰动 的不稳 定性的 问题 , 具 有越来 越大 的意义 。 因此发生 了两个连 续统系 统相互作 甩的 问题 , 其中一个 系统在 组成 具有给 定运 动工 况 和 具有所 需 流 动 结 构和 性质的过 程 中 , 起着 基本作 用 。 另一 系统是 辅助 系统 , 它担 负 着控 制头一个 系 统巾特 征量和 动力现 象的任 务 。 设 计人员 依所提 出的 目的来 挑 选控制 系 统 。 两个系 统都用 偏微 分方程来 描述 , 并且基 本的 相互作 用可 以 在相应 的 分 界 面上实 现 , 分界面 上应 满足边 界条件 。 这些分 界面 及相应 条件可 通过 改变辅 助系统 的流 变性质 及外 部相 互 作用 例如用 电磁 力或其它 办法 的 方法 来调 节 , 也可 以 通过 内部分 布的能 源 , 特 别是 通 过外壳 或具有 薄壳 系统的复 杂介质形 式来实 现调节 , 连 续介 质力 学 的这一 新 的 重要领 域的工 作风行一 时 , 但还非 常希 望扩大 它们 的范围 , 并把 所得结果 用到 各种 应用 中 去 。 上 述思 想在高 温等 离子体 的 运动 稳定性 问题中得 到了体 现 。 应 用这些原 理来 维持合 适的 化 学反应 工况是 有 前途 的 , 由于不 稳定性 , 没有 调节 系 统 是 不能 实现这 些化学反 应工况 的 。 类 似的 自动 控制 问 题是 由船舶 、 飞 机和 地面建 筑物 上 出现液体 弹性和 空气弹 性 效应 所提 出并 解决的 。 看来 , 在生 物力学 中 , 在 模拟肌 肉的 工作 时 , 在研 究神 经刺 激 的传 播 时 , 以 及在 生物 机体 中发生 的 其他过 程 中 , 也 遇 到用改 变流体 性质来 进行控 制的 问题 。 六 、 湍 流 长时 期来 许多研 究人 员把 注意力集 中在液 体和 气体的 湍流这一 领 域 。 对一 系 列重要 现 象确定了 特 征量 , 研究 了计算 方法 , 阐明 了很有 用的各种定性和定 量规律 。 可是 , 在 描 述与液体 及 气体的 湍流运动 同时 发生 的某些特 征 效应时 却是 含 含糊糊 的 。 在湍 流理论 及连 续介质 的其他 理论 中 , 可 以使 用各种 方法 来 引进 平 均 量 。 但在 这 里 , 基本思想是 把平均 量实际 上作 为相 当小 平 均范围 内的 “ 常 ’夕 量而 引进的 。 把湍 流实验 中按 时间得到 的 当地平 均量跟 计算得 到的平 均 量相比 较 , 并不 能反 映出 各 种求平均 的 理论 方法 的差异 所产生 的不 同理 论 之间 的 微妙 之处 。 对于 平均 量可 以 引进如下 一些 基本概 念 动 能和 内能 , 内应 力 , 湍流粘 性系 数 , 质 量 力等等 。 确 定 这类量 和 相应 于它 们的方程 守 恒律 , 状 态 方程 的方法 , 应 当跟 实验 中确定平均 量 的方法 相联系 。 可 以 对湍 流方面 的理 论工作 , 特别 是 某些小 效应 统 计理论 , 提 出许多 意见 。 丁 我仅 仅指 出 , 某些 现有的 湍流 理论和 整 理实验 结呆 灼方法 , 需 要重新 评价 和彻底批判 。 对现 有的 或正在深 入研 究的 各种介 质湍 流模型 的应用 范围 , 也 必须 加 以 分 析 。 近来 成功 地使 用着各种古 典 的和新 的测量 流动 沟手段 , 例如 用各种 光 线探侧 液体和 气体 琉动 的 方 法和应用 全 息方法 。 出现 了 系 统地 进行精细 物理 实验的 可能性 。 通过这 些 实验 , 可 以 更深 刻 了解 层流 不稳定 现象 的发生 和 湍流 边界层 沟分 离 , 可 以 描 述液 体及气 休跟 各种孤 立 卜句或 密集 分布的 悬浮微 粒 、 夜滴或气 泡 的相互 作用 。 还将 一 可以 观 察积 描述 湍 流 中化学 变化和 相变 的重要特 点 等 等 。 大 家知道 , 在 某些 情况 下 , 聚 合物添加 河对 固壁附近 或 自由射 流边 界附 近 为湍 流边 界层有 巨大 的影 响 。
研究跟湍流内应力以及跟流动中有添加剂(聚合物,各种固体微粒,长纤维,等 等)时的混合特征量有关的流动性质和相应效应,是迫切需要进行的且很有应用前途的 研究领域。这方面已经得到许多实际上有益的数据,但目前情况只能说是工作刚刚开 始,还面临着如何使之实现的冋题。 控制湍流边界层以消除分离和降低流线型物体摩阻的问题,可以大致归入这类问题 的范围。迫切要解决流线型物体后脱体流动及发展了的湍流尾流的规律和性质的问题。 运输系统(未来的管道集装输送系统具有重嬰的工程技术意义)的內部空气动力学同题 值得大大注意。 对有少量聚合物添加剂的湍流流动的实验以及对极其弯曲的水溶液层流运动的观察 表明,在这些情况下可能出现纳维一斯托克斯方程中未予考虑的液体流变性质。因此 用电子计算机根据纳维一斯托克斯方程来计算粘性流体的“真实”湍流运动的大量工 作,或计算粘性流体丧失流动稳定性而转换成湍流时的“與实”运动的大贔工作,看来也 不总是正确的 在风作用下海洋上波浪的发展问题,太阳、大气、地球和海洋的相互作用问题,天 气预报问题,都跟空气和水的粘性有关。因此,这些问题东很大程度上要以液体和气体 的湍流理论作为基础。 力学中液体、气体和等离子体湍流的许多基础研究,是自然界及各种工程装置中都 要遇到的对流和热交换问题引起的。 认识自然的观点来看,有关星际物质的湍流运动,恒星内部的对流混合,恒星大 气中发生的过程等天体物理学问题,是很有趣和有前途的。研究宇宙云的湍流运动很重 要。在天体物理学和现代工程技术中,等离子体的湍流运动跟电磁场的相互作用有特殊 的意义。 归入这里的还有跟环境保护有关的许多重要的力学和物理学问题,尤其是各种污染 物在作湍流运动的介质中传播的问题。针对环境保护及许多工程技术问题,必须开展液 体空气动力现象和声学现象相互作用的研究 七、水动力学和空气动力学 水动力学和空气动力学的古典问题一一液体和气体绕物体的流动—一差不多一百年 间受到了狂热的研究,奠定了保证航空事业、航海事业和火箭·一宇宙航行技术取得冲奇 般进步的理论基础,并且普遍影响着我们吋代一切工程技术的发展。 现在翌问一间,今后怎么干呢?要克服哪些新的“障碍” 首先应考虑进一步提高物体在各种介质中的运动速度问题。我不打算谈飞行器空气 动力学的现代科学问题。这里是一个已经开始而需要继续干下去的宏伟科学事业。但是 建立能够以大大提高的速度,比如说100米/秒量级的速度,在水内或水面作较长时间运 动系统则是不现实的。提高运动速度的主要障碍是水动力阻力,尤其是摩阻。因此推荐 能够大大减小水动力阻力的措施,同时建议一个与运动物体成为统一整体的相应推进系 统——这样的任务已提到水动力学家面前了。 为了获得适度的高速,可以利用在船尾有良好压力恢复的连续绕流以及在物体表面 o1994-2013ChinaAcademicjOurnaleLectronicPublishingHouse.All-rightsreservedhttp://www.cnki.net
研究跟 湍 流 内应 力 以 及跟流 动 中有 添加 剂 聚 合物 , 各种 固体 微粒 , 长纤维 , 等 等 时 的混合 特征 量有关 的流 动性 质和 相应 效应 , 是迫 切需要 进行 的 且 很有 应用 前途 的 研 究领 域 。 这 方面 已经得 到 许多实 际上 有益 的 数据 , 但 目前 情况 只 能 说 是 工作 刚 刚 开 始 , 还 面临着 如何使 之实现的 问题 。 控 制湍 流边 界层 以消除 分离 和 降低 流 线型物休 摩 阻的 间题 , 可 以 大致 归入 这类 问题 的 范 围 。 迫切 要解 决流 线型物 体后脱 体 流动 及发展 了 的湍流尾 流 的规 律和 性质 的问题 。 运 输系 统 未 来 的管 道集 装 输送 系统具有 重要 的 工 程技 术 意义 的 内部空气 动力 学问 题 值得大大 注意 。 对有 少 鼠聚合 物添加 剂 的湍流流 动 的实验 以及 对极 其弯 曲的水 溶 液层流 运动 的 观察 表 明 , 在 这 些 情 况 下可 能出 现纳维一斯托 克斯 方程 中未 予考 虑 的液体流 变 性质 。 因此 , 用 电子计算 机根据 纳维一斯托 克斯 方程 来计 算粘 性流体 的 “ 真 实” 湍 流 运 动 的 大 量工 作 , 或 计算粘 性 流体丧 失流 动稳 定性而 转换 成湍 流时 的 “ 真 实 ” 运动的 大 量工作 , 看来 也 不总是 正确 的 。 在风 作用 下 海洋上波 浪 的 发 展 可题 , 太 阳 、 大 气 、 地 球和 海洋 的 相互 作用 问题 , 天 气 预报 问题 , 都跟 空 气 和 水 的粘性有关 。 因 此 , 这些 间题 一 东很 大 程度 土要 以液 体和 气 体 的 湍流理 论作 为基础 。 力 学 中液 体 、 气体 和 等 离子体 湍流 的 许多基础 研 究 , 是 自然 界及各种 工程 装置 中都 要 遇到 的对流 和 热交换 问题 引起 的 。 从认 识 自然 的观点来 看 , 有 关星 际 物质 的湍流 运动 , 恒星 内部的 对流 混 合 , 恒星大 气 中发生 的过 程 等天体 物理学 问题 , 是 很 有趣 和 有 前途的 。 研 究宇 宙云的 湍流 运动 很 重 要 。 在 天体 物理 学和 现 代工 程技术 中 , 等 离子体 的湍 流运动 跟 电磁 场的 相互 作用有 特殊 的 意义 。 归 入这 里的 还有跟 环境 保 护有关 的 许多重要 的 力学 和 物理 学 问题 , 尤其 是 各种 污染 物在 作揣 流运 动的介 质 中传播 的问题 。 针对 环境 保护 及许多 工 程技术 问题 , 必须 开展 液 体 空气 动 力现 象和 声 学 现象 相互 作用 的研究 。 七 、 水动 力 学和 空气动 力学 水 动 力学 和空气 动 力学 的古 典问 题一 一 液体 和气 体绕 物 体 的流动— 差不 多一 百年 间受 到 了 狂热 的研 究 , 奠 定 了 保证 航 公事 业 、 航 海事 业和 火箭一 宇宙航 行技 术取得 神 奇 般进 步的 理 论 基础 , 并且 普 遍影 响着 我 们时代 一切 土 程技 术 的 发展 。 现 在要 问一 问 , 今 后 怎 么干 呢 要 克服 哪些 新 的 “ 障碍 ” ‘ 犷 首先应 考虑 进一 步提 高物体 在 各种 介质 中的 运动速 度 问题 〕 我不 打算 淡飞 行 器空 气 动力 学 的现代科 学 问题 。 这里 是 一个 已 经开 始而 需要继 续干 下 去的 宏 伟科 学事业 。 但 是 建 立 能够 以 大大提 高 的速度 , 比 如 说 米 秒 量 级 的 速 度 , 在 州勾或水 而 作较 一 长时 间运 动系统 则 是 不现 实的 。 提 高运 动速度 的主 要 障碍 是 水动 力 阻力 , 尤其 是 摩 阻 。 因 此 推 荐 能够大 大减 小水动 力 阻力 的措施 , 同时建 议 一个 与运 动物 体成 为统一 整 体的 相迈推 进系 统— 这样 的 任务 已提 到水 动 力学家 面前 了 。 为 了获 得适 度的高 速 , 可 以 利 用在 船尾有 良好 压力 恢复 的 连 续绕 流以 及在物 休表 而
有较小摩阻等古典运动模式。这两个问题都可以通过改善物体的形状及边界层的影响而 解决。为此,首先要减小物体表面的粗糙度,并利用各种方法,特别是把聚合物加入边 界层内的方法,或者把水或其他液体适当引入边界层内的方法,来减小边界层内垂直于 绕流物体方向的速度梯度。 利用有空穴形成的脱体绕流可以获得很高的速度,其中应当有使水跟自由面隔开的 有效体积。为了实现物体在水中类似上述运动的水平运动,提出了当前要解决的一系列 重要的水动力学问题。这些问题有:获得使物体在良好性能下保持水平运动的升力,研 究保证物体运动稳定和易于操纵的措施,确定形成物体空穴绕流的最合适的方法(或利 用特殊的喷咀盘,或利用物体上射出的逆向射流),研究火箭或水的反作用推进系统。 上述每个问题都可以指出各种解决办法,但要推荐能用于实际的建议,还需进行大量的 理论和实验研究。 八、介质跟电磁场的相互作用 研究物质介质跟电磁场的相互作用,是现代连续介质力学的壁要的方向。以前 在场跟物质的电磁相互作用方面,通常认为主要是产生焦耳热。近来,力的相互作用效 应具有日益增大的意义。这些效应不仅由导电流所决定的有质动力(mon6 e poRTOpia cna)所引起,而且由物质的极化和磁化所决定的以及由物质的流变性质跟由于马克 斯韦方程中的特征量而产生的电磁场作用的依赖关系所决定的有质动力所引起。 歴电效虤、磁滞现象、磁流体动力学、咆流体动力学、气体中及磁流体发甩中的放 已现象的动力效应、电磁反作用推进系统中的工况和过程,等等,这一切现在都成为蓬 勃发展着的连续介质力学新分支的研究对象。为了成功地研究上述问题,首先要求有合 理的方法,片求从建立新连续介质模型开始作起,这些模型应适于利用物学汩连 续介质力中积累大量经验来综合描述跟电动力学有关的力学现象。 译自 扛.Ⅵ, O nepcneRTHBHHX丑 an paPeR猩xH3 aNaya MexaHlkI cnJoIHHx cpeA(在1976年5月21日第四届全苏理论与 应用力学大会开幕式上的报告),Bec, AH CCCP,2(1977), 39—49 (务民译本刊删节) o1994-2013ChinaAcademicjOurnaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
有较小 摩 阻等古典 运动 模式 。 这 两 个 问题都可 以 通 过改善 物体 的 形状 及边 界层 的 影 响而 解 决 。 为 此 , 首先要 减小物体 表面 的粗糙 度 , 并利用 各种方 法 , 特别 是把 聚合物加 入边 界层 内的方 法 , 或者 把水 或其他 液体适 当 引入边 界层 内的方 法 , 来减 小边 界层 内垂 直于 绕 流物 体方 向的 速 度梯度 。 利 用有空 穴形成 的脱体 绕流可 以获 得很高 的 速 度 , 其中 应 当有 使水跟 自由而隔 开的 有效体 积 。 为 了实 现物体在水 中类似上述 运 动的水 平运 功 , 提 出 了 当前要解 决 的一 系列 重要 的水动 力学 问题 。 这 些问题有 获 得 使物体 在 良好性能 下保 持水 平运功 的 升力 , 研 究保证 物体 运动稳 定和 易 于操纵 的措施 , 确 定形成 物体 空穴绕 流的 最 合适的方 法 或利 用 特殊 的喷 咀盘 , 或利用 物体上 射出的 逆 向射 流 , 研究 火箭 或水的反 作 用推进 系 统 。 上述 每个 问 题都 可以 指 出各种 解决办法 , 但 要推 荐能用 于 实际的建 议 , 还需 进行大 量 的 理 论和 实验研 究 。 、 、 介质跟 电磁场 的相互 作用 研 究物 质介质 艰 电磁 场均 相 互作用 , 是 现代 连续介 质力 学润 极 饭要 自方 向 。 以 前 , 在场跟 物质 灼 电磁 相互 作用 方面 , 通 常认为主要 是 产生焦 耳 热 。 近 来 , 力的 相互 作用 效 应 具有 日益增 大灼 意义 。 这 些 效应 不仅 由导 电流所 决定的 有质 动力 二 工, 二 二 所 引超 , 厄 且 由物质的 极化和 磁 化所 决定 的 以及 由物 质的流 变 性 质跟 由于 马 克 斯 书 方程 中 沟待征 量而产生 的 电磁 场作用 的依赖 关 系所决 定的 有 质 功力所 引起心 派 电 效应 、 滋 滞 现象 、 磁 流体动 力学 、 电流 体功 力学 、 气体 中及磁 流体 发 御巾内 放 它现 象的 功力效应 、 电磁反 作用 推进 系统 中的 工 况 和 过程 , 等 等 , 这一 切 现 在都少戈刁 蓬 勃 发展 着为 连 续介质 力学新 分支灼研 究对 象 。 为 了成 功地 研究上 述 问题 , 自 一 先 要求有 合 理 的方 法 , 并要 求从 建立 新 的连 续介 质 模型开 始作起 , 这 些模型 应 适于 利 用物 理学 争连 续介质力 于 中识累 门 大量经验 来综 合描述 跟 电动 力学 有关 的力 学现 象 。 译自 双。 。 , 月 。 。 , ‘ 。 。 二 。 二 二 。 二 几 、 二 班 班 。 二 。。 及 在 年 月 日第 四 届全 苏理 论 与 应用 力学 大会开 幕式 上的报告 , , , 一 理 。 盖 务 民 译 术刊有 删 力
