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流體人物專欄

普朗特(1875-1953)

路德維奇.普朗特(Ludwig Prandtl)1875年2月4日出生于德國的弗萊辛(Freising),1953年8月15日卒于哥廷根。普朗特是現代力學的奠基人之一,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,并與他的學生梅耶(Meyer)一起研究了膨脹波現象(普朗特-梅耶流動),并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”。除了了在流體力學中的研究工作,還培養了很多著名科學家,其中包括馮.卡門、梅耶等著名流體力學家,對我國流體力學研究做出奠基工作的陸士嘉教授也曾是普朗特的學生。

    普朗特的母親常年患病,因此普朗特的少年時期更多的時間是與父親一起度過的。普朗特的父親是個工學教授,與父親在一起的生活經歷使普朗特養成了觀察自然、仔細體味的習慣。1894年普朗特進入慕尼黑技術學院(Technische Hochschule Munich)學習,6年后獲得博士學位(Ph.D.)。普朗特在慕尼黑的主要工作是在固體力學范疇內,主要是設計一種工廠中使用的設備。在那里他第一次介入流體力學領域——當時他要設計一種吸出裝置,在經過一系列試驗對比后,他設計出一種流量更高、能耗更小的裝置。

    1901年,普朗特成為漢諾威技術學校(Technical School in Hannover,即現在的漢諾威技術大學,Technical University Hannover)的流體力學教授。在這所學校,普朗特完成了他幾項著名的工作。1904年,普朗特完成他最著名的一篇論文——《非常小摩擦下的流體流動》。在這篇論文中,普朗特首次描述了邊界層及其在減阻和流線型設計中的應用,描述了邊界層分離,并提出失速概念。后來普朗特的幾個學生曾經試圖給邊界層方程找到封閉形式的解,但都沒有成功。普朗特原始論文中的近似解于是得到廣泛應用。

    普朗特的論文引起數學家克萊因的關注,克萊因因此舉薦普朗特成為哥廷根大學技術物理學院主任。在隨后的幾十年中,普朗特將這所學院發展成為空氣動力學理論的推進器,在這個學科中領先世界直到二戰結束。1925年從這個學院中分離出凱撒.威爾海姆(Kaiser Wilhelm)流動研究所(即現在的Max Planck動力學與自組織研究所)。

    1902-07年間,普朗特曾經跟隨弗雷德里克.蘭開斯特(Friedricks Lanchester),與阿爾伯特.貝茨(Albert Betz)和麥克斯.芒克(Max Munk)一道,為研究真實機翼的升力問題尋找有用的數學工具。相關的工作在1918-19年間發表,此即“蘭開斯特-普朗特機翼理論”。后來普朗特還專門研究了帶彎度翼型的氣動問題,并提出簡化的薄翼理論。這項工作使人們認識到對于有限翼展機翼,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于指出翼尖渦和誘導阻力的本性,這個問題在很長時期內一直沒有得到重視。在這些理論的指導下,飛機設計師們第一次可以在飛機被制造出來之前就能了解其基本性能。

    1908年,普朗特與他的學生西奧多.梅耶(Theodor Meyer)提出第一個關于超聲速激波流動的理論,普朗特-梅耶膨脹波理論成為超聲速風洞設計的理論基礎。此后他一直沒有時間在這個問題上繼續研究下去,直到1929年他和阿道夫.布斯曼(Adolf Busemann)一起提出一種超聲速噴管的設計方法。直到今天,所有超聲速風洞和火箭噴管的設計仍然采用普朗特的方法。關于超聲速流動的完整理論最后由普朗特的學生西奧多.馮.卡門(Theodore Von Karman)完成。

    1922年,普朗特與理查德.馮.米塞斯(Richard Von Mises)一起創建GAMM-國際應用數學與力學學會,并在1922年至33年期間擔任主席。1933年希特勒上臺后,普朗特默許了對猶太同事的開除,并為保持德國在國際科學界的地位進行了大量宣傳活動。在二戰前和二戰期間,普朗特與格林的帝國空軍部(Reich's Air Ministry)有密切的合作關系。

    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。

    普朗特做過很多天真的事。比如在他34歲的時候他決定結婚,于是他就跑到他的老師奧古斯特.福波(August Foppl)教授那里,請教授把女兒嫁給他,但是又不說是哪個女兒。福波教授和夫人經過緊急討論并做出聰明決定——讓大女兒嫁給普朗特。事實證明,這個決定無比正確——普朗特和夫人共同度過了幸福愉快的一生。

 

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