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路德維希·普朗特
來源:互聯網

路德維希·普朗特(Ludwig Prandtl,1875年2月4日-1953年8月15日)是德國力學家,被譽為近代力學奠基人之一。他在流體力學方面提出了邊界層理論,將理論和實驗相結合,奠定了現代流體力學的基礎。他還在固體力學和塑性力學方面做出了開創性的研究。普朗特是嚴格系統化數學分析的先驅,他用這種方法為航空動力學的科學奠定了基礎,成為航空工程應用科學的基礎。他在20世紀20年代開發了亞音速氣動力學的數學基礎,包括邊界層、薄翼型和升力線理論。普朗特數以他的名字命名。他于1953年8月15日在哥廷根去世。

人物生平

1875年2月4日,路德維希·普朗特出生于德國巴伐利亞弗賴辛。

1894年,普朗特進入慕尼黑技術學院(Technische Hochschule Munich,即慕尼黑工業大學機械工程,后在奧古斯特.弗普爾(August Otto F?ppl)教授指導下攻讀彈性力學。

1899年,在他的博士論文探討了狹長矩形截面梁的側向穩定性。

1900年,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,即漢諾威應用技術大學,Technical University Hannover)的流體力學教授。1901年在一機械廠工作中,因改進用管道抽吸廢屑的裝置發現了氣流分離問題;后來在漢諾威大學任教授時,用自制水槽觀察曲面流動現象。

1902年到1907年,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。

1903年提出了柱體扭轉問題的薄膜比擬法。

1904年,普朗特在海德堡國際數學大會上宣讀關于邊界層的論文《非常小摩擦下的流體流動》(Ueber Flussigkeitsbewegung Bei Sehr Kleiner Reibung (Fluid Flow in Very Little Friction)),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。這篇論文受到哥廷根大學數學教授菲利克斯·克萊因的賞識,克萊因推薦他擔任格丁根大學應用力學系主任,后又支持他建立并主持空氣動力實驗所和威廉皇家流體力學研究所。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。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第二次世界大戰結束。

1906年,建造了德國第一個風洞。

1908年,與學生西奧多.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。

1910年,指導西奧多·馮·卡門完成的博士論文中解決了柱體塑形區的屈曲問題。

1921年,解決了半無限體受狹條均勻壓力時的塑性流動分析。

1922年,普朗特與理查德.馮.米塞斯(Richard Von Mises)一起創建國際應用數學與力學學會(GAMM, Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik),并在1922年至1933年期間擔任主席。

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Max Planck動力學與自組織研究所)。1925年以后又建立威廉皇家流體力學研究所,并兼任所長。以后該所改名為普朗特流體力學研究所。

1929年,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。

1933年,阿道夫·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。在第二次世界大戰前和二戰期間,普朗特與格林的帝國空軍部(Reich's Air Ministry)有密切的合作關系。1942年,他的專著《流體力學概論》出版。

1953年8月15日,路德維希·普朗特卒于哥廷根市

1942年,專著《流體力學概論》出版。

主要成就

科研成就

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,應用于工程實際。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。

1901年在機械廠工作,發現了氣流分離問題。后在漢諾威大學任教授時,用自制水槽觀察繞曲面的流動,3年后提出邊界層理論,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。

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。在第二次世界大戰期間,當飛機飛行速度接近音速時,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。他繼承并推廣了A.J.C.圣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于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。

普朗特在流體力學方面的其他貢獻有:

風洞實驗。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。

機翼理論。在實驗基礎上,他于1913~1918年提出了舉力線理論和最小誘導阻力理論,后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”。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,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。

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,后被稱為普朗特-邁耶爾流動。

邊界層理論。他在觀察、實驗的基礎上,研究層流穩定性和湍流邊界層,提出繞物體流動的小粘性邊界層方程,為計算摩擦阻力、飛行器阻力、控制氣流分離、求解分離區和熱交換等問題奠定了基礎。

人才培養

路德維希·普朗特培養了很多科學家,其中包括匈牙利流體力學西奧多·馮·卡門(中國科學家錢偉長、錢學森、郭永懷的老師),梅耶等著名流體力學家,還有阿克雷特、A.L.納戴、W.普拉格等。鐵木辛柯和鄧哈托也曾跟他做過研究工作。中國流體力學家、北京航空航天大學(現北京航空航天大學)創建人之一陸士嘉教授也是普朗特的學生。根據美國數學學會數學譜系計劃的數據顯示共培養87名碩士、博士。

個人生活

家世背景

路德維希·普朗特的母親常年患病,因此他的少年時期更多的時間是與父親一起度過的,他的父親是個工學教授,與父親在一起的生活經歷使他養成了觀察自然、仔細體味的習慣。

婚姻家庭

路德維希·普朗特在34歲的時候決定結婚,于是他就跑到他的老師奧古斯特.弗普爾(August Otto F?ppl)教授那里,請教授把女兒嫁給他,但是又不說是哪個女兒。弗普爾和夫人經過緊急討論并作出決定——讓大女兒嫁給路德維希·普朗特,婚后兩人共同度過了幸福愉快的一生。

人物評價

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,善于抓住物理本質,概括出數學方程。普朗特在近半個世紀中注意理論與實際的聯系,在力學方面取得許多開創性成果。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” ? 。(德國航空太空中心評)

人物紀念

路德維希·普朗特環

1957年,德國航空太空中心為了紀念路德維希普朗特,設置路德維希·普朗特環,用于獎勵在航天工程領域的杰出貢獻的科研人員 。

飛機命名

美國航空航天局(NASA)用路德維希·普朗特來命名了兩架研究和探索飛機(PRANDTL-D, PRANDTL-M),PRANDTL-D無人機被用來證明普朗特的猜測,即翼梢小翼可以用以阻礙上下表面的空氣繞流,PRANDTL-M是火星勘探船。

參考資料 >

Ludwig Prandtl.Britannica.2024-12-29

Ludwig Prandtl.NNDB.2024-12-29

Ludwig-Prandtl-Memorial Lecture.gamm.2024-12-29

普朗特與應用力學研討會暨《普朗特傳》發布會在我校舉辦.西安建筑科技大學篤實新聞網.2024-01-31

..2024-01-31

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