流体介质包括液体、气体和等离子体，广泛地存在于自然界、生命体和工程领域中。流体力学是与人类生活和社会经济发展关系最为紧密的学科之一，蕴含着大量的重大基础科学问题，同时也在航空航天、海洋船舶、能源交通、土木水利、石油化工、环境灾害、生物医学等工程领域中发挥着重要的作用。

流体力学是与天文学和数学几乎同时诞生的经典学科。公元前3世纪，古希腊阿基米德建立了包括物体浮力定理和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。同时期，中国的李冰父子为防治洪水灾害，完成了都江堰的无坝引水的水利工程，至今还在发挥作用。公元15世纪，意大利达·芬奇在其著作中讨论了水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题。1643年，意大利物理学家E.托里拆利研究了小孔出流，提出了流速的大小同重力加速度和水的落差之间的关系，后称为托里拆利公式。17世纪，力学奠基人I.牛顿对黏性流体运动的内摩擦力提出了假设，即两流体层间的摩擦应力与这两层流体的相对滑动速度成正比，而与两层间的距离成反比，称为牛顿黏性定律。L.欧拉提出了连续介质的概念，把牛顿第二定律应用于流体运动建立了欧拉方程，他还用微分方程组描述了无黏流体的运动规律。D.伯努利把静力学中压力的概念应用于运动流体中，以能量守恒的观点研究管道中水的流动，得到了定常流动时流速、压力及位置高度之间的关系。欧拉方程和伯努利方程的建立标志着经典流体动力学的形成。C.-L.-M.-H.纳维（1822）与G.G.斯托克斯（1845）将黏性作用引入流体运动方程中，分别推导出后来被定名的纳维‒斯托克斯方程（N-S方程），进一步奠定了流体力学的理论基础。由于这一组方程是非线性偏微分方程，在一般条件下，用分析方法求解遇到很大困难，只有在少数特例情况下才可获得精确解。

此后，流体力学学科朝着两个方向发展。一方面，基于数学方法的进步，法国J.-L.拉格朗日对于无旋运动，德国H.von亥姆霍兹、英国开尔文对于涡旋运动研究取得重要进展。但是，由于采取了流体无黏性假设，研究物体绕流阻力方面遇到巨大困惑，得到违背事实的达朗贝尔佯谬——物体在流体中匀速运动时的阻力等于零。另一方面，面对众多的工程实际问题，工程师们从大量实验中总结出一些经验公式来表达真实流体的运动规律，如谢才公式和达西定律，并逐步发展为水力学和渗流力学。

1904年，L.普朗特通过实验观测和数学论证后，指出无论流体的黏性多么小，在物面附近总是存在一层黏性边界层，创建了边界层理论。它既合理解释了无黏流体假设的适用范围，又能计算真实流体（水和空气）快速流过平板表面时形成的摩擦力。边界层理论的建立成为近代流体力学的一个里程碑。

从普朗特提出边界层理论后，经过T.von卡门、G.I.泰勒，以及俄罗斯的A.N.科尔莫戈罗夫等科学家近一个世纪的努力，流体力学发展迅速。例如由于分支学科空气动力学的发展，大大推动了航空工业的发展；并且飞出大气层，建立空间站，登上月球，进入了航天时代。

在近现代，流体力学又发展形成了新的分支、交叉和边缘学科，如跨声速空气动力学、高超声速空气动力学、高温气体动力学、稀薄气体动力学、电磁流体力学、物理‒化学流体力学等。中国科学家钱学森、郭永怀等在跨声速、高超声速空气动力学和周培源在湍流理论的研究中做出了杰出贡献。

流体力学是研究流体运动的学科，其学科内容有：

流体力学在其发展过程中产生了一些具有挑战性的基础理论问题，如湍流、流动稳定性和旋涡动力学等。①湍流是自然界最常见的流体运动形态。因其复杂性，揭示湍流机理历来是科学界的经典难题。湍流的产生与发展过程中所蕴含的物理机制、湍流的预测及控制、湍流的拟序结构和动力学特性、湍流的统计理论及数值模拟等都是流体力学研究的前沿课题。由于统计力学和计算机模拟方法的引入，湍流在统计理论和数值模拟等方面取得了较大的进展，特别是湍流的理论研究从经典的解析模型走向计算模型，从实验研究走向数值模拟和实验研究相结合，能够处理越来越复杂的工程问题。②流动稳定性也是流体力学研究的难点。流动失稳是湍流产生的前兆之一，流动失稳后，流体的动力学特性将发生显著改变。流动稳定性的研究具有重要的理论意义。③旋涡动力学也是流体力学基础理论中的重要内容之一，主要研究涡量和旋涡的产生、演化及其与物体和其他流动结构的相互作用，以及在湍流发生、发展和流动控制中的作用。在研究以非线性、非定常、非平衡、多尺度和多场耦合等为特征的复杂流动中还有诸多基础理论问题不断出现。

研究水及其他液体的运动规律以及它们与结构物相互作用的学科，是流体力学发展较早的一个重要分支。水动力学的研究在海洋船舶工程、水利交通工程、大气环境及水环境治理等领域发挥着巨大作用。传统水动力学研究：水在管道、渠道、江河中的运动；利用水力做功的水轮机问题；船舶在水中运动时所遇到的阻力，船舶稳定性和船体、推进器在水中引起的空化现象等。21世纪以来，海洋资源开发、海洋环境保护、海洋权益维护已成为世界各国普遍关注的战略问题。先进舰船技术研发、深海资源开发、沿海经济带资源利用和环境保护等对水动力学研究提出了新的迫切需求。以群泡动力学行为与空化机理、自然空泡和通气超空泡的内部结构与稳定性、水动力噪声与减阻降噪为研究重点的高速水动力学成为研究的前沿领域；海洋内波、畸形波和海啸波等极端海洋动力因素及其对海洋结构物的作用研究十分活跃；台风浪与风暴潮的模拟与预报、近海波浪数学模型与数值水池、河口海岸泥沙运动与海啸等海洋灾害研究得到关注。

研究空气或其他气体的流动规律、波系结构以及它们与结构物或界面相互作用的学科。它是在流体力学基础上随着航空工业和喷气推进技术的发展而发展起来的，是航空航天最重要的支撑学科之一。空气动力学专门研究飞行器或物体飞行在大气层中的流动规律、载荷特性和伴随的物理化学现象。根据流体运动的速度范围或飞行器的飞行速度，空气动力学可分为低速空气动力学和高速空气动力学，大致以400千米/时的速度为划分的界线。低速空气动力学中气体介质可视为不可压缩的，对应的流动为不可压缩流动。大于这个速度的流动，必须考虑气体的压缩性影响和气体热力学特性的变化，这种对应于高速气体动力学的流动称为可压缩流动。可压缩流动根据其流动马赫数的不同，又分为四个流动范围：马赫数恒小于1的称为亚声速流动、恒大于1的称为超声速流动、马赫数大于5的称为高超声速流动、马赫数接近于1的称为跨声速流动。气体动力学还有一些边缘性的分支学科，如稀薄气体动力学、高温气体动力学等。为满足21世纪航空运输发展的需求，需要研制更具竞争力的新一代的民航客机，满足不同需求的高机动、高隐身的无人作战飞机以及微小型无人机等。这些需求对气体动力学提出了一系列需要解决的新问题。

研究同种或异种化学成分物质的固‒气、液‒气、液‒液或固‒液‒气共存系统运动规律的学科。“相”可指不同的热力学平衡态下物质的聚集态（固、液、气等），也可指同一聚集态下不同的物理性质或力学状态。研究对象是探讨流场中各个相的速度、压力、温度、组分浓度、体积分数、相与相以及各相与壁面间相互作用，以弄清其中的动量传递、传热、传质、化学反应甚至电磁效应的规律。多相流广泛应用于自然界和各工程领域，如沙漠迁移、泥沙运动、油气输送、煤粉燃烧、血液流动等，其普遍性、重要性和复杂性决定了其在流体力学中的重要地位。多相流研究关注受连续相流场制约的离散相动力学特性以及离散相对连续相的影响、离散相之间的相互作用，将侧重多相湍流场及稳定性、非线性多相流相界面动力学、数值模拟和测量方法、超常规离散相多相流、多尺度和多场作用下的多相流、多相流场的非牛顿效应、分层稠密多相流动及微重力气液两相流等。

牛顿流体是应力与剪切应变率（简称切变率）呈线性关系的流体，空气和水被认为是牛顿流体的典型例子。在自然界和工程技术中还存在着许多非牛顿流体，它们的应力和切变率之间的关系是非线性的，具有和牛顿流体不同的流动特性。非牛顿流体的问题普遍存在于与国民经济和日常生活密切相关的各个领域，如石油工业、化学工业、食品工业、纺织工业和生物医学工程等。将研究对象从牛顿流体开拓到非牛顿流体，是经典流体力学发展到近代流体力学的重要标志之一。由于非牛顿流体问题的复杂性和重要应用背景，非牛顿流体力学已经成为近代流体力学最具挑战性的研究领域之一。非牛顿流体力学最为关注的领域包括：复杂流体本构关系、非牛顿流体的流动稳定性、弹性湍流、聚合物湍流减阻、触变性流体的雪崩现象、非牛顿流体的浸润和智能流体等。

研究流体在多孔介质内的运动规律的学科。渗流力学具有悠久的历史，1856年法国工程师H.-P.-G.达西公布了水通过均匀砂层渗流的线性定律，奠定了渗流力学的基础。在相当长的时期内，渗流理论及其应用主要涉及水在地下多孔介质内的流动，因此将其理解为地下渗流。后来渗流力学又在石油、天然气开发工业中得到应用，在这个阶段内渗流力学考虑的一般是均质、单相、等温的渗流过程。20世纪30年代以后逐步发展多相渗流理论，60年代初渗流理论迅速发展，考虑非均质、多重介质、多相性、流变性以及含有复杂的物理、化学反应、非等温渗流等过程，并进一步发展了微观渗流以及与生物学相结合的生物渗流等研究领域。渗流力学基础研究着重关注多相多组分渗流中相间和组分间相互作用的机理、物理化学渗流中物理过程和化学反应复合条件下的渗流运动、非线性渗流中的非达西渗流等。在实际应用方面则侧重于能源的开发利用和相关环境问题的治理，例如石油的开采、水渗流引起的山体滑坡、过度开发地下水引起的地面沉降等。

随着现代科学和工程技术的发展，流体力学与其他学科的交叉和融合日益突出，成为流体力学的一个重要发展方向，并形成多种流体力学的交叉学科或边缘学科。①物理‒化学流体动力学是研究流体流动对化学转化或物理转化的影响，以及物理、化学因素对流体流动的影响的学科。②电磁流体力学是用经典流体力学和电动力学相结合的方法研究导电流体（等离子体和液态金属等）和磁场相互作用的学科。③工业空气动力学是应用于工程领域中的空气动力学，是空气动力学与气象学、结构动力学、建筑工程等相互渗透而形成的新兴学科。④微纳米流体力学因20世纪末微机电系统的出现而受到关注，尺度效应、界面现象、物理化学过程影响下 的流动规律是主要研究内容。⑤稀薄气体动力学是原子分子物理学、统计力学、分子运动理论等和宏观气体动力学交叉产生的分支学科，又称分子气体动力学。当气体变得稀薄时，连续介质假设不再适用，需要采用分子运动理论和方法进行分析。现代工业一直朝着极端条件的方向发展，高空、高温、高速、低密度、微尺度等都是稀薄气体效应发生的契机。⑥地球流体力学研究地球和其他行星上流体的大尺度宏观运动，如地球上大气/海洋的环流、旋涡、潮汐、波动，以及地球深部的地幔对流等。⑦环境流体力学是通过研究自然环境（大气、水体、岩土体中的流动、输运和相应的物理、化学和生物过程）分析导致人和其他生物体周围温度、湿度、风速、组分、噪声、磁场、辐射等环境参数变化规律的学科。是一门涉及气候、污染、生态、灾害等问题，与人类健康、农林牧业发展、污染减轻、灾害治理、绿色低碳经济和可持续发展等紧密相关的交叉学科。⑧生物流体力学主要研究生命体内生理流体（如血液、气体、淋巴液等）的流动问题，包括人工脏器、生物技术和医学工程中的流体力学问题，为揭示生命奥秘、发展更好的疾病诊断方法和治疗手段服务；还研究鸟类在空中的飞翔，鱼类在水中的游动等，是研究相关动物的比较生理学、行为学、生态学及进化的基础，为发展新型飞行器和水下航行器提供仿生学指导。

流体力学在其发展进程中已形成理论分析、实验观测、数值计算相结合的研究方法。

根据物理学基本定律，如质量守恒、动量守恒和能量守恒定律等，运用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析大致分为四个步骤。

①建立力学模型。针对实际流动问题，从众多影响因素中提取主要因素，对问题进行简化，建立反映问题本质特征的力学模型。如连续介质假设、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等为常用的力学模型。

②建立数学模型。将物理学守恒定律应用于流体运动获得基本方程，如连续性方程、动量方程和能量方程等；加上反映流体力学性质的本构方程或其他相关方程；由这些方程组合成封闭的流体动力学方程组，就构成了控制流动问题的数学模型。

③求解方程组。在给定的边界条件和初始条件下，运用数学方法求流体动力学方程组的解。对一些特别简单的流动问题可获得解析解，对一般流动问题则难以求得解析解。根据流动的特征，利用量纲理论、摄动理论和群论，在一定条件下可将方程加以合理简化。经过多年努力，已创造出许多数学方法和技巧来求解这些简化的方程组。随着数值计算理论和技术的发展及电子计算机能力的增强，许多理论问题和工程技术对应的动力学方程组可进行数值求解。

④对解进行分析解释。求得方程组的数学解后，要结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果用实验结果进行验证，以确定所得解的准确程度和模型的适用范围。

除了理论结果需要实验验证外，大量复杂的实际流动问题要用实验研究来解决。流体力学实验包括现场观测和实验室模拟实验。对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并预测流动现象的演变。一般而言，现场观测费用高、时间周期长。

①实验室模拟。在相似理论的指导下，在实验室内建立模拟实验装置和设备，例如各种风洞、水槽、水池等，让要研究的流动现象在这些设备内重现，以便对必要的参量进行系统地测量。与现场观测相比，实验室模拟研究需要的时间、空间和费用均大为缩减。实验室模拟还可以观察拟制造的装置性能，发现未知的现象，不仅可以检验理论分析和数值模拟结果的可靠性，还可提供真实的物理图像和深刻的感性认识。因此，实验室模拟是研究流体力学的重要途径和方法。相似理论是实验室模拟必须遵循的理论，目的是保证实验条件能模拟实际的流动规律。通常要满足必要的相似准则数，如雷诺数、弗劳德数、欧拉数等。

②测试技术。在流体力学实验中准确的测试方法和显示技术非常重要。基于高新技术的传感器、计算机技术和数字化技术的测试仪器大量涌现，如热线测速仪、激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪等。为了满足流体力学研究的需要，高时空分辨率、多场、多尺度、非接触、能够捕捉精细流场时空结构与特征的仪器和测试技术正在进一步发展中。

电子计算机的出现和发展，使许多原来无法求解析解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性。从20世纪60年代开始，随着信息技术的飞速发展，流体力学数值模拟方法进展神速，对流动问题的模拟能力极大地扩展，形成了流体力学的新分支—计算流体力学，成为与理论流体力学、实验流体力学鼎足而立的分支学科，是现代流体力学的重要标志。在计算方法上，以连续介质力学基本方程离散化为基础，发展了有限差分法、有限元法、有限体积法和谱方法等；为了研究微观机制和现象，分子或粒子模拟方法，如分子动力学方法、直接模拟蒙特卡罗方法等，得到迅速发展。计算流体力学的发展和大量商用软件的出现，极大地推动了流体力学数值模拟在各工程领域中的应用，取得了令人瞩目的成就。这些领域包括航空航天、气象、船舶、武器装备、水利、化工、建筑、机械、汽车、海洋、体育、环境、卫生等。除了工程应用外，由于计算流体力学对流场精细和定量化描述能力及重现能力，使其在流体力学的基础理论研究中也发挥了越来越大的作用。面对日益复杂的研究对象和科学问题，发展高精度、高分辨率、高保真数值方法和提高对复杂几何外形的处理能力，发展新的计算体系、大规模高性能的数值和智能算法、软件系统及其集成、计算可视化与虚拟仿真技术，是计算流体力学今后的发展方向。

从阿基米德迄今2000多年来，特别是20世纪以来，流体力学已发展成为基础科学和工程科学体系的重要组成部分，成为与人类生活和社会经济发展联系最为紧密的学科之一。面对21世纪诸如人类健康、气候变化、能源短缺和可持续性发展等问题，流体力学将面临新的挑战和发展机遇。以非线性、非定常、非平衡、多尺度和多场耦合等为特征的复杂流动将是流体力学基础研究的中心课题，宏观微观结合和多学科交叉将成为现代流体力学的重要标志。随着基础理论分析、实验测试技术和数值模拟方法的不断发展，流体力学不仅在传统的气体动力学和水动力学领域中产生新的前沿学科，而且在与物理学、化学、地球科学、生命科学等领域的融合中不断涌现新兴学科。