作者 戴世强 上海大学终身教授
自从邂逅流体力学以来，笔者已与之相依相伴几近一个甲子，迄今专注的痴心不改，达到有时引起老伴恼怒的程度。原因何在？因为流体力学的科学美深深地打动了我：令人赞叹的阳刚之美（壮美），令人愉悦的阴柔之美（优美），令人惊异的变易之美（奇美），只要靠近流体力学，就会陶醉，就会沉迷，就会流连忘返，就想一探其胜境。正如现代科学美学奠基人彭加勒所说：“科学工作者不是因为有用才研究自然的。他们研究自然是因为他们从中得到了快乐，而他们从中得到快乐是因为它美。 …… 我们指的是根源于自然各部分的和谐秩序、纯理智能够把握的内在美。”
这里我们就来概说流体力学的科学美。科学美大致可分为壮美、优美和奇美，分别对应于我国古典文献中提到的阳刚之美，阴柔之美和变易之美。（参看[1-3]）。流体力学具有这些美学特征。
大家知道，流体力学的研究对象是流体，包括液体和气体，放眼看世界，流体占据了绝大部分空间。君不见，“鹰击长空，鱼翔浅底，万类霜天竞自由”（毛*东泽**：《*园春沁**·长沙》）；“黄河之水天上来，奔流到海不复回”（李白：《将进酒》），何等纷繁壮阔！君不见，“千尺丝纶直下垂，一波才动万波随”（船子和尚：《颂钓者》）；“月黑望渔灯，孤光一点萤，微微风簇浪，化作满河星”（查慎行：《舟夜书所见》），又是何等优美绝伦！流体不仅为世界增添流光异彩，还为我们提供竭诚服务，或为能源，或为媒质，或成航道，或成鱼塘，……；当然，也有流体横行肆虐的时候。所以，我们欣赏流体，探究流体，利用流体，进而征服流体。
流体力学的阳刚之美
在美学中，阳刚之美就是壮美，也称崇高，德国哲学家把崇高分成两种：数学的崇高和力学的崇高，前者从事物的数量着眼，后者指的是力量的威势。
阳刚之美包括浩瀚美、艰险美和统一美。
浩瀚美的提法出自彭加勒。他所说的浩瀚（vastness）指的是数量上的浩繁，空间上的宏大、深邃，时间上的久远等等。主要有两种形式，一是宏廓美，美得气势磅礴；一是精微美，美得细致深邃。两者都可把人带到浩渺无边的境界，不得不深陷其中。
且来看看流体力学的宏廓美。
我们都记得李白的名句：“飞流直下三千尺，疑是银河落九天。”（《望庐山瀑布》），瀑布本身当然是流体力学的研究对象，更重要的是，为了水力发电，人类不断制造人工瀑布，采用高坝蓄洪技术，集中江河流水的能量。一大群流体力学和水力学工作者奋斗在水力发电第一线，利用专业知识，努力把汹涌奔腾的水流放进“笼子”里，乖乖地为人类提供电能。鲜为人知的是：当激流为水电站提供动能之后，依然桀骜不驯，倘若放任自流，后果必定是毁坏田舍、吞噬生命。因此，有一大批人在进行高坝泄洪消能控制。六年前，我曾到四川大学高速水动力学国家实验室访问，讲学之余，参观了他们的露天实验室，实验室占地面积是好几个足球场，尽管做了大幅度缩尺（缩尺比常是1：20乃至1：100），所建的模型仍有四层楼高，气势恢宏，蔚为壮观，只见大股水流直冲泻下，乖乖地进入泄洪道、消能池和各种涵洞，从而用流体力学驯服了这种“洪水猛兽”，其技巧令人叹服。
广袤的海洋让人浮想联翩，人类为了征服海洋，付出了多少代人的艰苦努力，其中流体力学工作者功不可没。从伯努利原理到纳维-斯托克斯方程，从模拟实验到实体建造，从机帆船到大型游轮，从海岸工程到大型海洋采油平台，处处有力学人的足迹，从而使得人们在波涛汹涌的大海中航行，从海底夺取石油、开采矿物。为此，流体力学工作者不仅进行实测，而且建造了大型实验室，做各种模拟实验。我曾多次参观过上海交大船舶及海洋工程学院的风浪水池实验室，其规模之浩大，令人叫绝。
惊天巨浪
乘风破浪的中国052舰
深水采油平台
大自然在给予人类各种恩赐的同时，也不断带来各种灾害，往往带着一种“悲剧美”，例如，火山爆发、地震海啸、泥石流、沙尘暴等等，它们也是流体力学工作者的研究对象，所涉及的流动往往是复杂的湍流多相流。这里只说说沙尘暴，这是对地球过度开垦导致土地沙化派生的地质灾害，在我国相当严重，是近期越演越烈的雾霾天气的罪魁祸首之一。我国流体力学工作者纷纷投入相关研究，国家自然科学基金委员会力学处设立了重点项目，引起积极反响。几年前，笔者到兰州大学访问，那里的力学系有一批精兵强将在专攻这一课题。他们不仅在野外实测，还建造了宏大的沙漠风洞做实验室模拟，参观后给我留下了深刻印象。至今，他们已取得一批非常有价值的成果。
菲律宾皮纳图波火山爆发（1991-06-15）
日本福冈地震海啸（2014-03-11）
泥石流
沙尘暴
阳刚之美的另一种表现为艰险美，指的是获取成果之不易。例如，人类为了实现航空航天梦，进行了艰苦卓绝的努力。一百多年来，流体力学家为此做了先驱性研究，经过前赴后继的奋斗。先后克服了“声障”和“热障”。前者为了使飞机航速超越声速，后者为了克服航天飞行器再入稠密大气层时产生的高温。如今，超声速飞机已翱翔于天际；我国的“神舟”系列飞船已多次飞行成功。“越是艰险越向前”，这就是科学的艰险美的吸引人之处。
统一美体现了壮美与优美的交叉。稍后详述。
高速飞机
“神舟”五号飞船的发射和返回
哥伦比亚航天飞机空难（2003）
流体力学的阴柔之美
美学中的阴柔之美即为优美，是美的最常见的形式。科学中的优美，主要体现在对称美、比例美和简洁美。流体力学不仅有上述阳刚之美，其阴柔之美的特征也非常突出。
对称美在流体力学中几乎无处不在。在本系列第一篇文章中提及的《流体运动图谱》中这样的例子比比皆是。通过流动显示，我们可以看到轴对称、中心对称、螺旋对称图像。请各位欣赏如下美轮美奂的图像。
比例美是指整体和局部之间的量的关系所体现的美。流体力学中处处有比例显示的美。
简洁美或简单美是科学美的典型特征。“简单就是美”，是很多科学家服膺的真理。你看，仅仅用四个英文字母就表述了飞机升力公式（茹科夫斯基公式）；作为现代飞机诞生的“助产器”——普朗特边界层理论的形式是如此简单。
这里再简单地说几句壮美与优美统一的统一美。我们仅举一个例子——飞机在机场起降时所产生的涡，这类分析对保证飞行安全极其重要。飞机降落诱生的涡极为壮观，有一种壮美。然而，飞机爬升时涡的演进结果却相当优美：你看，像不像翩翩起舞的一对情侣？
流体力学变易之美
在美学中，变易之美又称奇美，也是美的最重要的形态之一，其突出特点是使人在惊讶之余感受到美的魅力。流体力学中不乏这类美的例子。
奇美包括巧妙美、奇妙美和悖论美。
巧妙美是一种意想不到的精妙。奇妙美是事出意外、令人惊讶的美。悖论美是一种丑美，具有对美的反衬作用，其美学涵义很丰富，兼有优美、壮美的因素。
流体力学中的变易之美经常发生在客观条件变化之时。例如，在航天飞行器飞行过程中，出现了微重力状态，重力仅达到寻常地面重力的万分之一大到百分之一，这时，流体流动性质就大变了。请比较正常状况下的火焰和微重力下的火焰。再如，同样是射流，普通的牛顿流体和特别的非牛顿流体就呈现不同的性态。对于液滴冲击平板，也出现类似的情况。
上面用不大的篇幅简单地介绍了流体力学的科学美。应该说，这一话题涉及面很宽，内容繁多，绝不是一篇短文可以穷尽的。即使如此，我们已经可以体会到流体力学的令人窒息的美，愿更多的人投入探索流体力学的洪流！
致谢
衷心感谢以下各位朋友提供图片资料：
代钦教授（上海大学），朱克勤教授（清华大学），李家春研究员（中科院力学研究所），吴锤结教授（大连理工大学），方海平研究员（中科院应用物理研究所），许唯临教授（四川大学），郑晓静教授（兰州大学），卢占斌博士（上海大学），周继杰博士（上海大学）
参考资料
1. 彭加勒，科学与方法，中译本，李醒民译，商务印书馆，2008.
2. 戴世强，科研方略18讲：第15讲，上海大学出版社，2014.
3. 刘仲林，科学臻美方法，科学出版社，2002.
写于2016年5月22日