Людвиг Прандтль: Пионер аэродинамики и гидродинамики

Введение

Немецкий физик (1875–1953)

Людвиг Прандтль (4 февраля 1875 – 15 августа 1953) был немецким специалистом в области гидро- и аэродинамики, физиком и ученым в области авиационной и космической техники. Он был пионером в разработке строгих систематических математических методов, которые он использовал для обоснования науки об аэродинамике, ставшей основой прикладной науки авиастроения. В 1920-х годах он разработал математическую основу для фундаментальных принципов субзвуковой аэродинамики, в частности, и в целом для скоростей вплоть до трансзвуковых. Его исследования выявили свойства пограничного слоя, тонких профилей крыла и теорию подъемной линии. Число Прандтля названо в его честь.

Ранние годы

Прандтль родился в Фрайзинге, близ Мюнхена, 4 февраля 1875 года. Его диссертация называлась «О явлениях опрокидывания, пример неустойчивого упругого равновесия» (1900).

Поздние годы

В 1901 году Прандтль стал профессором механики жидкости в технической школе в Ганновере, позже в Техническом университете Ганновера, а затем в Университете Ганновера. Именно там он разработал многие из своих важнейших теорий. В этой работе он описал пограничный слой и его значение для сопротивления. В 1925 году университет выделил своё исследовательское подразделение для создания Института исследования потоков имени Кайзера Вильгельма (ныне Институт динамики и самоорганизации имени Макса Планка). Из-за сложности идей Прандтля о пограничном слое, представленных в его работе 1904 года, распространение этой концепции первоначально шло медленно. Многие не смогли принять эту идею из-за недостаточного понимания. Дальнейшие открытия в области пограничного слоя приостановились до 1908 года, когда два его студента из Гёттингена, Блазиус и Больтце, опубликовали свои диссертации по пограничному слою. В диссертации Блазиуса объяснялось поведение пограничного слоя при параллечном обтекании плоской пластиной однородным потоком. Исследования Больтце были схожи с работами Блазиуса, но применяли теорию Прандтля к сферическим формам, а не к плоским объектам. Прандтль развил идеи, представленные в диссертациях своих студентов, включив в них понятие теплового пограничного слоя, связанного с теплопередачей. К 1914 году готтингенские исследователи опубликовали еще три работы, посвященные пограничному слою. По причинам, аналогичным тем, что препятствовали распространению работы Прандтля 1904 года, эти первые семь работ о пограничном слое распространялись за пределами Гёттингена медленно. Отчасти из-за Первой мировой войны публикации, касающиеся пограничного слоя, были ограничены до 1921 года, когда другой ученик Прандтля, Теодор фон Карман, опубликовал работу об интегральном уравнении импульса в пограничном слое. Однако это новое распределение подъемной силы вызвало меньший интерес, чем эллиптическое распределение, и первоначально было проигнорировано в большинстве практических конструкций самолетов. Эта концепция была заново открыта другими исследователями и приобрела все большее значение (см. также экспериментальный самолет Prandtl D). Прандтль и его ученик Теодор Мейер разработали первые теории сверхзвуковых ударных волн и течения в 1908 году. Вентиляторы Прандтля — Мейера позволили создать сверхзвуковые аэродинамические трубы. У него было мало времени для дальнейшей работы над этой проблемой до 1920-х годов, когда он сотрудничал с Адольфом Буземаном и в 1929 году разработал метод проектирования сверхзвукового сопла. Сегодня все сверхзвуковые аэродинамические трубы и ракетные сопла проектируются с использованием того же метода. Полное развитие сверхзвуковой аэродинамики пришлось ждать работ Теодора фон Кармана, ученика Прандтля в Гёттингене. Прандтль разработал концепцию "циркуляции", которая оказалась особенно важной для гидродинамики судовых винтов. Большую часть экспериментальной работы он проводил в своей лаборатории в Гёттингене с 1910 по 1918 год вместе со своим ассистентом Альбертом Бетцем и студентом Максом Мунком. Большинство его открытий, связанных с циркуляцией, оставались в секрете от западного мира до окончания Первой мировой войны. До Первой мировой войны Общество немецких естествоиспытателей и врачей (GDNÄ) было единственной платформой для обсуждения вопросов, представляющих интерес для прикладных математиков, физиков и инженеров в немецкоязычных странах. В 1920 году они встретились в Бад-Наухайме и пришли к выводу о необходимости создания нового объединения для прикладных наук, основываясь на опыте, полученном во время войны. В этом журнале были провозглашены общие цели Прандтля, Теодора фон Кармана, Ричарда фон Мизеса и Ганса Райснера. После исследования Прандтлем вопросов неустойчивости в период с 1921 по 1929 год он переключился на изучение развитой турбулентности. Этим также занимался фон Карман, что привело к соревнованию в разработке решения для профиля скорости в развитой турбулентности. Около 1930 года это соревнование завершилось ничьей, поскольку оба ученых пришли к выводу, что обратный квадрат коэффициента трения связан с логарифмическим значением произведения числа Рейнольдса и коэффициента трения, как показано ниже, где k и C — константы. Работы Прандтля и фон Кармана по пограничному слою оказали значительное влияние и были приняты экспертами в области аэродинамики и гидродинамики по всему миру после Первой мировой войны. В мае 1932 года в Гамбурге состоялась Международная конференция по гидромеханическим проблемам судового движения. Гюнтер Кемпф представил на конференции ряд экспериментов, которые подтвердили многие теоретические открытия фон Кармана и Прандтля. Как член Немецкого физического общества (DPG), Прандтль помог Карлу Рамзауэру подготовить Петицию DPG в 1941 году. Петиция DPG была опубликована в 1942 году и утверждала, что физика в Германии отстает от физики в Соединенных Штатах из-за отказа немецких физиков от "еврейской физики" (теории относительности и квантовой теории). После публикации Петиции DPG вера в превосходство "немецкой физики" ослабла, что позволило немецким студентам изучать эти новые области в школе.

In 1901 Prandtl became a professor of fluid mechanics at the technical school in Hannover, later the Technical University Hannover and then the University of Hannover. It was here that he developed many of his most important theories. In this paper, he described the boundary layer and its importance for drag In 1925, the university spun off his research arm to create the Kaiser Wilhelm Institute for Flow Research (now the Max Planck Institute for Dynamics and Self Organization). Due to the complexity of Prandtl's boundary layer ideas in his 1904 paper, the spread of the concept was initially slow. Many people failed to adopt the idea due to lack of understanding. There was a halt on new boundary layer discoveries until 1908 when two of his students at Gottingen, Blasius and Boltze, released their dissertations on the boundary layer. Blasius' dissertation explained what happened with the boundary layer when a flat plate comes in parallel contact with a uniform stream. Boltze's research was similar to Blasius' but applied Prandtl's theory to spherical shapes instead of flat objects. Prandtl expanded upon the ideas in his student's dissertations to include a thermal boundary layer associated with heat transfer. There would be three more papers from Gottingen researchers regarding the boundary layer released by 1914. Due to similar reasons to Prandtl's 1904 paper, these first 7 papers on the boundary layer would be slow to spread outside of Gottingen. Partially due to World War I, there would be a lack of papers published regarding the boundary layer until another of Prandtl's students, Theodore Von Karman, published a paper in 1921 on the momentum integral equation across the boundary layer. However, this new lift distribution drew less interest than the elliptical distribution and was initially ignored in most practical aircraft designs. This concept has been rediscovered by other researchers and has become increasingly important (see also the Prandtl D experimental aircraft). Prandtl and his student Theodor Meyer developed the first theories of supersonic shock waves and flow in 1908. The Prandtl–Meyer expansion fans allowed for the construction of supersonic wind tunnels. He had little time to work on the problem further until the 1920s, when he worked with Adolf Busemann and created a method for designing a supersonic nozzle in 1929. Today, all supersonic wind tunnels and rocket nozzles are designed using the same method. A full development of supersonics would have to wait for the work of Theodore von Kármán, a student of Prandtl at Göttingen. Prandtl developed the concept of "circulation" which proved to be particularly important for the hydrodynamics of ship propellers. He did most of the experimental work at his lab in Göttingen from 1910 1918 with his assistant Albert Betz and student Max Munk. Most of his discoveries related to circulation would be kept secret from the western world until after World War I. Prior to World War I, the Society of German Natural Scientists and Physicians (GDNÄ) was the only opportunity for applied mathematicians, physicists, and engineers in German speaking countries to discuss. In 1920, they met in Bad Nauheim and came to the conclusion that there was a need for a new umbrella for applied sciences due to their experience during the war. This journal advertised the common goals of Prandtl, Theodore von Kármán, Richard von Mises, and Hans Reissner. Following Prandtl's investigation into instabilities from 1921 1929, he then moved to exploring developed turbulence. This was also being investigated by Kármán, resulting in a race to formulate a solution for the velocity profile in developed turbulence. Around 1930, the race ended in a draw as both men concluded that the inverse square of skin friction was related to the logarithmic value of the product of Reynold's number and skin friction as seen below where k and C are constants. Prandtl and von Kármán's work on the boundary was influential and adopted by aerodynamic and hydrodynamic experts around the world after WWI. In May 1932, the International Conference on Hydromechanical Problems of Ship Propulsion was held in Hamburg. Günther Kempf showcased a number of experiments at the conference which confirmed many of the theoretical discoveries of von Kármán and Prandtl. As a member of the German Physical Society (DPG), Prandtl assisted Carl Ramsauer in drafting the DPG Petition in 1941. The DPG Petition would be published in 1942 and argued that physics in Germany was falling behind that of the United States due to rejection of "Jewish Physics" (relativity and quantum theory) from German physicists. After publication of the DPG Petition, the belief of "German Physics" superiority deteriorated to allow for German students to study these new fields in school.

Публикации

Пол Питер Эвальд, Теодор Пёшль, Людвиг Прандтль; авторизованный перевод Дж. Дугалла и В. М. Дина. Физика твердых тел и жидкостей: с последними достижениями. Издательство Блэки и сын (1930).

Смерть и последующие события

Прандтль работал в Геттингене до своей смерти 15 августа 1953 года. Его работы в области гидродинамики до сих пор применяются во многих областях аэродинамики и химической инженерии. Его часто называют отцом современной аэродинамики. Кратер Прандтля на обратной стороне Луны назван в его честь. Немецкое общество воздухоплавания и космонавтики (Deutsche Gesellschaft für Luft und Raumfahrt) присуждает кольцо имени Людвига Прандтля за выдающийся вклад в область аэрокосмической техники. В 1992 году Прандтль был удостоен включения в Международный зал славы авиации и космонавтики в Музее авиации и космонавтики Сан-Диего.