流体力学与实验流体动力学的自主创新经典故事:张宇宁华北电力大学

  • 时间:
  • 浏览:135
  • 来源:晋中文学网

本科毕业科学研究手册(24):自主创新经典故事1

 

张宇宁

华北电力大学(北京市)

 

为了更好地本科毕业对学术研究自主创新有进一步的深层次了解,从当期刚开始,小编将逐渐详细介绍数个科学史上經典的学术研究自主创新经典故事并进行一定的分析,奋力促使对科学研究很感兴趣的本科毕业可以比较全方位地了解自主创新的最高境界

边界层基础理论是流体动力学、热传导等行业十分关键的基础基础理论之一,其对事后流体动力学的发展趋势,特别是在是基础理论流体动力学与实验流体力学的合理融合起了尤为重要的功效。在详细介绍有关创新能力工作中之前,人们先回到19新世纪,并从学术思想发展趋势的角度去体会和感受边界层基础理论明确提出的时代背景和关键实际意义。一直以来,流体力学的健身运动规律性一直是大家科学研究的热点话题,一直有诸多的学家对操纵流体力学健身运动的基础式子开展了计算和试着。历经几辈的勤奋,此项科学研究在19新世纪获得了重特大的提升,荷兰生物学家纳维尔(Claude-Louis Navier)获得了有关的式子并且经过美国生物学家斯托克斯(George Gabriel Stokes)进一步完善后,总算产生了在人们这一时期绝大多数流体力学教材中常常见到的以所述2个科学家的名字取名的式子(即纳维尔-斯托克斯式子)。

可是,尽管流体力学健身运动的基础式子早已获得,可是科研仍未到此停步。在其中一个关键的缘故是该式子的求出出现异常艰难,造成没法获得对具体指导工程项目实践活动更有意义的信息内容。举例说明,假定一个衣食住行在19新世纪的管道施工层面的技术工程师,其必须急切处理的关键难题是流水穿过管路后的摩擦阻力的测算,进而可以有效地进行市政工程管路的设计方案及其分配离心水泵等机电设备,以保证住户和加工厂的自来水的一切正常供货。在19新世纪时,通用性的作法是对于不一样种类、直徑、横截面样子的管路开展逐一试验,随后依据试验結果开展梳理并用作具体指导设计方案,但其所涉及到的繁杂的劳动量显而易见。因而,在那时候的历史时间标准下急需解决发展趋势基础理论流体动力学,并将其与工程项目实践活动合理地结合在一起进而极大地提高建筑工程设计的高效率。即便纳维尔-斯托克斯式子的方式很美而且其基础理论表述也很清晰,但从技术工程师的角度观察,不免会对纳维尔-斯托克斯式子略感心寒。由于技术工程师们没法求出该式子,因而也无法得到对具体指导她们的工作中有使用价值的信息内容。

立在这一历史时间的连接点上,以便融入有关行业发展趋势的要求,务必要新的基础理论冲锋在前更改这一现况,正说白了“逆境出人才”。解决困难的构思不外乎2个:

1.   选用更高級的方式 将该式子的详细方式开展求出。

2.   选用多个假定将该式子开展有效的简单化随后开展求出、认证。

人们先从课程发展趋势的角度看一下第一种方式 的进度。在理论与实践层面,纳维尔-斯托克斯式子数学课实际意义上的精准求出仍然并未获得合理处理。2000年5月24日,在国外著名的克雷数学课研究室发布的每一悬赏任务100万美金的千禧年巨奖的7个难点中,纳维尔-斯托克斯式子的数学课求出位居在其中(注一),可以见得其难度系数。数值计算层面,因为计算机的盛行和普及化,在二战及之后,纳维尔-斯托克斯式子的标值求出越来越日趋普及化,其为后话。最少,从19新世纪的角度看来,第一条路基本上走堵塞。

那麼,人们如今思考一下第二条路。这路看上去颇有期望,但一样重重困难,列举如下:

1.   该式子中什么项能够 简单化?

2.   开展简单化必须根据什么假定以及合理化?

3.   简单化后的式子假如能求出得话,其精密度怎样?

由于纳维尔-斯托克斯式子是比较繁杂的偏微分方程,涉及10好多个项,对每一项都必须细心的反复推敲和细心的科学研究。科学史上,一定有成千上万的学家因此开展了很多的勤奋和努力的工作中,最后,1904年,法国学家普朗特在法国南部海德尔堡举行的第三届国际性物理学家交流会上发布的一篇有关磨擦很小的流体力学健身运动的毕业论文中合理地对纳维尔-斯托克斯式子开展了简单化、求出和认证。在这里篇毕业论文中,普朗特明确提出了一个全新的见解,即在杜绝边界层的地区不考虑到黏性的危害,这时候的式子获得巨大的简单化非常容易求出,而在边界层周边考虑到黏性的危害但选用十分简单化的一套式子开展求出(即“边界层式子”)。接着,普朗特的边界层基础理论快速地获得了每个工程项目行业的实践活动检测,因而足以快速营销推广。到此,流体动力学拥有一套十分强劲的基础理论专用工具,此后不仅基础理论流体动力学足以快速发展趋势,并且与实验流体力学和工程项目实践活动融合得日渐密不可分。

纵览全部边界层基础理论的明确提出和发展趋势,普朗特扎扎实实的基本技能、对总体目标的完美了解、机敏的物理学判断力有目共睹。概述来讲,所述普朗特有关边界层理论与实践的自主创新经典故事对本科毕业的科研之途的启迪有以下内容。

1.   勇于明确提出自身的见解。针对科研,本科毕业不必有畏首畏尾心理状态,要是历经自身缜密的思索和列式计算并确信所明确提出的见解是恰当的,便可英勇地明确提出自身的念头和构思并敢于坚持不懈。在明确提出边界层基础理论以前,普朗特在流体动力学行业并无知名度,1900年博士研究生毕业了的一段时间内普朗特还从业过固体力学层面技术工程师的工作中(注二)。当普朗特1904年发布边界层基础理论行业的开拓性毕业论文时,他年仅29岁且一开始针对性地进行流体动力学的科学研究。

2.   提炼出重要科学问题。科研的全过程中,出色的学家必须对学科前沿有机敏的判断力,并可以提炼出和把握住在其中的关键难题并紧紧围绕此开展科技攻关和处理。概述来讲,普朗特更是把握住了流体动力学在其所在时期的最前沿难题,根据有效地简单化纳维尔-斯托克斯式子并将其与实验流体力学密不可分的结合在一起,贡献非凡。

3.   重视创新思维能力塑造。针对一个科学研究难点,一般的构思一般会无效,对处理该类难点的协助甚小。那麼,在该类基本构思已无效的那时候,真实的提升和自主创新一般必须科学研究工作人员具有不同寻常的思维模式(例如发散思维这些)和比较宽敞的科学研究视线。而针对创新思维能力的塑造,本科毕业的逻辑思维比较活跃性,勇于开拓和试着各种新事物,更应着力提高本人自主创新能力和水准。

4.   累积扎扎实实的基本技能。一般,一项好的科研成果一般必须科学研究工作人员对各种基本要素拥有十分扎扎实实的了解并在这个基础上可以熟练掌握。在这些方面,大学本科环节是做好学术研究基本更为珍贵的阶段。因而,本科毕业应当扎实地学精基础课程,不可眼高手低、敷衍了事。

 

注解一部分

注一:有关英国克雷数学课研究室公布的纳维尔-斯托克斯式子难点的实际叙述,详细其官网。

http://www.claymath.org/millennium-problems/navier%E2%80%93stokes-equation

注二:有关普朗特更加详尽的详细介绍,请阅读者参照百科等材料。

https://en.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Prandtl