Hydrodynamics一词最早是由瑞士科学家D.伯努利提出的，他在1738年于斯特拉斯堡出版的有关流体运动的专著中以该词作为标题。

液体动力学是研究不可压缩液体处于静止及运动状态时规律的学科，因其主要研究介质是水，所以又称水动力学。水动力学的理论与方法也可应用于气体，只要其流动速度明显小于声速；而当气体运动的速度接近或超过声速时，流体的可压缩效应变得明显，其运动规律属于空气动力学的研究范畴。

对于液体静止和运动时规律的研究具有悠久的历史。人类早期由于治理洪水和开凿运河的需求，总结了水的流动规律。例如墨翟及其弟子所作的《墨经》中就已有了浮力与排液体积之间关系的设想。始建于秦昭王末年（约公元前256～前251）的宏大水利工程都江堰，两千多年来一直发挥着防洪灌溉的作用，使成都平原成为水旱从人、沃野千里的“天府之国”。公元前250年，古希腊科学家阿基米德在《浮体论》中阐明了浮体和潜体的有效重力计算方法，浮力定理的发现奠定了流体静力学的基础，是力学的重要成就。15～17世纪，达·芬奇、伽利略、E.托里拆利、B.帕斯卡、I.牛顿等用实验方法研究了水的静压力、大气压力、水的剪应力和孔口出流等问题。1643年，托里拆利证明了恒定孔口出流的基本规律，提出孔口出流速度与水头值的二次方根成正比。

18世纪初叶，经典水动力学得到了迅速发展，伯努利与数学家L.欧拉是这一领域的伟大先驱。伯努利基于能量守恒，对于可忽略黏性损失的流体运动提出了伯努利方程；欧拉奠定了理想流体的理论基础，给出了反映质量守恒的连续方程（1752）和反映动量变化规律的流体动力学方程（1755）。18世纪末和整个19世纪，对液体流动规律的研究形成了两个相互独立的领域。一类是用数学的理论分析与解析方法进行严格的推导，获得对实际问题具有一定指导意义的结果，这一方向的研究奠定了水动力学的理论基础。另一类则是对积分形式的一元流运动方程进行处理或对实验结果进行分析总结，提出各种实用的经验公式，用于解决实际工程技术问题，也就是水力学一元流理论（包括一元管流，又称总流分析法）。

前一类研究所得到的重要成果包括：C.-L.-M.-H.纳维、A.J.C.B.de圣维南、G.G.斯托克斯、O.雷诺等对黏性流体运动微分方程的推导；J.-L.拉格朗日建立速度势和流函数并和A.-L.柯西、F.J.von格斯特纳、G.R.艾里对波浪理论的研究；H.von亥姆霍兹对涡旋运动的研究；亥姆霍兹和G.R.基尔霍夫对自由流线运动的研究；开尔文和瑞利关于波浪和流体运动稳定性的研究；N.Ye.茹科夫斯基关于翼型的举力和水击分析的研究等。H.兰姆的名著《水动力学》总结了这些研究成果。

另一方面，19世纪中随着航海、水利工程等的迅速发展，建立在大量实验测量基础上的水力学得到很大发展。这其中的经典结果包括：H.皮托和G.B.文丘里分别设计出测量流速和流量的皮托管和文丘里管；J.斯米顿进行水车和风车试验；C.波絮埃和J.le R.达朗贝尔建立拖曳水池进行潜水物体的阻力实验；F.雷什通过观测波浪运动和船模试验，提出重力作用下的相似准则；W.弗劳德给出计算船舶摩擦阻力的方法；J.-L.-M.泊肃叶论述了血液的流动并给出毛细管对流动的阻力和流速分布规律的计算公式；H.-P.-G.达西进行渗流实验并得出液体通过多孔介质的运动规律；A.de谢才等人建立了恒定明渠理论，针对河道和管道水流阻力根据边界的粗糙度确定系数，再由系数和经验公式求出流速和流量。

19世纪末，流体力学的发展逐步扭转了研究工作中的经验主义倾向。20世纪初最重要的突破来自L.普朗特所提出的边界层理论，这一理论把无黏性理论和黏性理论在边界层概念的基础上联系起来，不考虑黏性作用的数学分析结果可适用于边界层以外，这对简化方程和解决实际问题起到了至关重要的作用。

边界层理论改变了长期以来理论流体力学和水力学相互脱节的状况，将理论与实践紧密地联系在一起，形成了理论与实验并重的现代水动力学。随着电子技术和计算技术的发展，水动力学的研究手段更加丰富；如今已能用实验研究、理论分析和数值计算等方法相辅相成地解决具有复杂形状边界的不可压缩流动问题。

水动力学是研究水及其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科，总体来说可以分为以下几方面研究内容。

可忽略黏性的不可压缩流体称为理想流体。当考虑流体的无黏流动时，原本的纳维-斯托克斯方程就变为欧拉方程。理想流体并不真实存在，但在一些情况下，作为近似它可以很好地描述流动现象，比如根据普朗特的边界层理论，在边界层以外的区域中，黏性力可以不予考虑，因此理想流体的运动规律在特定条件下仍可应用。在普朗特边界层理论创立之前，理论流体力学家已经对理想流体开展了大量研究，得到了丰富的理论结果，这其中包括著名的伯努利定理、开尔文速度环量守恒定理、亥姆霍兹涡量定理等。

在抵抗外力作用时，流体内分子间的内聚力为阻止流体分子的相对运动而产生内摩擦力，这一现象称为流体的黏性；另一方面，在流固边界上，流体质点黏附在物体表面上形成流体不滑移现象，由此产生摩擦阻力和能量耗散，同样是黏性流动的表现。描述黏性流动规律和状态的方程为纳维-斯托克斯方程；影响黏性流动状态的主控无量纲参数为雷诺数，用于表征惯性力与黏性力之比。当雷诺数很小时，黏性影响遍及整个流场；而当雷诺数很大时，明显的黏性效应只局限在物体表面附近的一层很薄的流体（即边界层）中。另外，当雷诺数较小时，黏性流动为规则的层流；当雷诺数较大时，黏性流动则为不规则的湍流。湍流是黏性流动中极度困难而又具有重要实际意义的问题。

无论是水轮机、水泵、船用螺旋桨等水力机械，还是鱼雷等水中高速航行体，当压强降至饱和蒸气压时，液相水介质将发生相变成为汽相介质，这一现象称为水动力空化。空化现象可使翼型升阻比下降，从而使水力旋转机械如水轮机、螺旋桨、叶轮泵等的效率降低；而且由于空化溃灭时会因空蚀而使材质遭到破坏，因此工程设计中力求避免空化以减轻危害。然而，空化有时是有益的，超空泡减阻技术是一种有效提高水下航行体速度的重要手段。以乌克兰“Storm”（暴风雪）为代表的高速鱼雷采用通气生成包裹雷体的气穴，实现了大幅降阻的目标，水中航速达到370千米/小时，形成了独具特色的超空泡减阻技术。

水面船舶、近水面航行体、海岸与近海结构物的设计与运行必须考虑海浪的作用，空投鱼雷与跨介质飞行器的研制则需考虑自由表面效应，研究这类具有自由表面的流动与波动问题具有明确的应用背景，形成了自由表面水动力学方向。水波动力学是水动力学的传统领域，已建立了基于势流理论的水波理论体系，发展了水波及其与结构物相互作用的理论分析方法和实验研究方法，为船舶工程、海岸与海洋工程奠定了学科基础。对于自由表面流动问题的研究关注如艾里波等线性表面波，斯托克斯波、孤立波、椭圆余弦波、畸形波、滚浪、静振、滑坡涌浪、海啸、风暴潮、潮汐海洋内波、罗斯比波、庞加莱波、开尔文波等非线性波动，以及边缘波、沿岸流、离岸流等其他近岸带波浪的生成、传播与演化的规律及模拟方法。

水动力稳定性是分析流动不稳定的产生机理，以及研究不稳定性将如何发展为湍流。引起流动不稳定的物理因素可以是各种各样的，如重力、浮力、表面张力、剪切应力和惯性力等，电磁力也会造成流动不稳定。平行剪切流、同轴旋转圆柱之间的流动和热对流不稳定性是其中最重要的几类问题。典型的不稳定性包括：开尔文-亥姆霍兹不稳定性、瑞利-泰勒不稳定性、离心不稳定性和热不稳定性等。

多相流是指两种或两种以上相同或不相同的固体、液体和气体系统的流动。在多相流动过程中，每一相的物理参数、相与相之间力的耦合作用、相与相之间的界面等均会发生变化，甚至一些情况下还可能有相变现象的发生。多相流动的研究一般基于拉格朗日和欧拉两个框架。基于拉格朗日框架的研究，主要关注受连续相流场制约的离散相动力学特性，如颗粒、液滴、气泡等在湍流脉动作用下的分布、扩散、分离；离散相对连续相的作用，如颗粒、液滴、气泡等的运动对流场湍动特性和本构关系的影响；离散相之间的相互作用。基于欧拉框架的研究则着重于连续相之间的耦合、整个流动系统的流态和本构关系。

在自然界与工业界存在许多复杂流体，其应力与应变率之间的关系是非线性的，例如油漆、牙膏、泥浆、沥青、火山熔岩等，此类流体称为非牛顿流体。非牛顿流体普遍存在于与国民经济发展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、生物医学工程等。非牛顿流体的流动特性在许多方面与牛顿流体不同，如射流膨胀现象、无管虹吸现象、魏森贝格效应等。因此对于此类复杂流体的研究涉及本构方程、流动稳定性、弹性湍流、聚合物湍流减阻、触变性流体的雪崩、润湿动力学、智能流体等各个方面。

水动力学的研究手段主要是实验研究、理论分析和数值计算三方面，三者紧密相关，又各有其特点。

边界层理论的成功表明实验对流体力学发展的关键作用。即使在信息时代的今天，计算机也不能完全取代实验。除了检验计算结果的可靠性之外，实验现象也给研究人员提供了真实的物理图像和深刻的科学认识。实验研究包含两个方面：现场观测和实验室模拟。

对自然界固有的流动现象或已有技术手段无法实现的全尺寸流动现象，可以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借以预测流动现象的演变。例如对于海洋内波的研究，从早期的温盐深仪探测到现在的卫星遥感观测与反演，基本上是通过现场观测来实现的。但是现场自然流动现象的发生不受人为控制，发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律的研究；此外，现场观测还要花费大量人力、物力和财力。因此，建立实验室，使这些流动现象在可控的条件下重复出现，是研究水动力学的重要手段。

实验室模拟指用仪器和其他实验设备测定表征水或其他液体流动及其同固体边界相互作用的各种物理参量，并对测定结果进行分析和数据处理，以研究各种参量之间的关系。实验的目的是揭示各种水流运动规律和机理，验证理论分析和数值计算结果，为工程设计和建设提供科学依据，以及综合检验工程设计质量和工作状态。典型的水动力学实验装备与测试仪器包括：环境风洞，系列水槽、水池，高速水洞，压力、速度、温度、热流、浓度的传感器、测试仪器、图像显示、数据采集和处理系统等。根据相似理论，要使实验数据与真实物理相符，必须使流动相似条件完全得到满足。但是对实验室缩尺模型来说，有些情况下水动力学中的两个主要无量纲参数雷诺数（代表惯性力与黏性力之比）和弗劳德数（代表惯性力同重力之比）不易同时满足，某些工程问题的大雷诺数也难以达到。所以在实验室中，通常是针对具体问题，尽量满足某些主要相似条件和参数，然后通过现场观测验证或校正实验结果。

根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。在处理水动力学丰富多彩的问题时，众多数学理论和技巧得以建立和发展。其中，渐近分析理论的建立与发展尤为引人注目，如用于研究船尾迹波动的驻相法，处理流体高频波动的WKB方法和射线理论，分开求解内外解并使之在过渡区域匹配的边界层理论，处理薄层流动的润滑理论等，这些理论对于水动力学及其他力学分支的研究起到了至关重要的作用。与此同时，在水动力学理论发展的过程中产生了诸多著名的非线性方程，如科特韦格-德弗里斯方程、非线性薛定谔方程、本杰明-小野方程、洛伦兹方程等。对于这些方程的研究，一方面加深了对流体力学现象的认识，另一方面也促进了可积系统、孤立波、混沌、分岔等数学理论的发展。

电子计算机的出现和发展，使许多原本无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，数值方法可以部分或完全替代某些实验。计算流体力学的历史虽然不长，但已广泛深入到流体力学的各个领域，计算流体力学的发展是现代流体力学的重要标志。

对于不可压缩流体的计算，以纳维-斯托克斯方程的离散化为基础，发展了有限差分、有限元、有限体积、拟谱法等方法；对于自由边界问题，在界面捕捉上发展出有限体积法、水平集、边界积分法等经典算法；为了研究微观机制和现象，分子或拟粒子模拟方法，如分子动力学法、直接模拟蒙特卡罗法、光滑粒子动力学法、离散元法、格子玻尔兹曼法等得到迅速发展。大量专用软件的使用极大地缩短了工程的设计周期，降低了投资费用。

解决流体力学问题时，实验研究、理论分析和数值计算三方面相辅相成。实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之，理论分析和数值计算也要依靠现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据以建立流动的力学模型和数学模式；最后，还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。此外，实际流动往往异常复杂（例如湍流），理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得不到具体结果，只能通过现场观测和实验室模拟进行研究。

在过去的100多年中，特别是20世纪第二次世界大战以来，水动力学领域名家荟萃，成果斐然，已成为船舶工程、海洋工程、水资源与环境、工业工程、化学工程等学科不可或缺的基础，深刻影响着国防、国土安全、交通、制造业、医学、能源和环境等领域。在大尺度流动方面，表面波与内波、空化与物体出入水、水波与结构物相互作用、风暴潮与海啸等方向形成了独特的学科特色，而流体湍流与黏性的研究推动了一个世纪的流体力学的研究进展，促进了孤立子、混沌、多尺度等现象的发展。水动力学的研究对象复杂，应用广泛，非线性的纳维-斯托克斯方程和自由边界问题的研究引人入胜。在未来，复杂流体和复杂流动是流体力学基础研究的中心课题，应用数学、计算模拟和实验技术的飞速发展和普遍应用，有助于人们深入理解丰富多彩的流动现象的本质。