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 中科院力学所

普朗特和他的流体力学研究所

力学园地
2015年12月29日

普朗特和他的流体力学研究所

—纪念Max-Planck流体力学研究所创办90周年

朱克勤

清华大学 航天航空学院

摘要

1925年，普朗特在德国哥廷根创建了Kaiser-Wilhelm流体力学研究所(Max-Planck学会流体力学研究所的前身)。普朗特和他的研究所在世界力学史中都具有非常重要的地位。有如人的一生，哥廷根Max-Planck学会流体力学研究所经历了诞生、成长、辉煌和终结的整个过程，给世界力学史留下了精彩的篇章，此文用以纪念该研究所创办90周年和它的奠基人普朗特。
关键词：普朗特；Max-Planck流体力学研究所；哥廷根大学

  1. 引言
1990年初，作为教育部公派，我开始了去联邦德国作为期一年访问学者的准备。当时，联系了两个单位：哥廷根Max-Planck学会流体力学研究所和亚琛工业大学空气动力研究所。在我的年轻时代，这两个研究所都被认为是流体力学学科的“麦加圣地”，它们的老所长普朗特和冯 卡门都被誉为20世纪的流体力学大师。在犹豫不决之时，我与当时德籍语言老师进行了一次讨论，最后决定前往普朗特创办的哥廷根Max-Planck学会流体力学研究所。1990年5月23日—1991年7月22日，作为访问学者，我在那里生活和工作了一年另2个月，在从事研究工作的同时，不但亲身体会了力学哥廷根学派的研究风格和学术氛围，多次参观了哥廷根大学，收集了不少有关的资料，也经历了东西德国统一的重大事件。今年，恰逢该研究所创办90周年，鉴于它在世界力学史中的重要地位和留下的精彩篇章，写此短文以兹纪念。

  1. Kaiser-Wilhelm流体力学研究所的创建人—路德维希 普朗特
哥廷根Max-Planck学会流体力学研究所的前身是Kaiser-Wilhelm流体力学研究所，由普朗特在1925年创建。普朗特作为近代力学的奠基人之一，被誉为空气动力学之父，1875年2月4日生于德国慕尼黑附近的弗赖辛。1900年在慕尼黑工业大学机械工程系获弹性力学的博士学位后，他开始转向流体力学的研究。1901年，普朗特受聘汉诺威技术学校（Technical School in Hannover，现为汉诺威技术大学，Technical University Hannover）任流体力学教授。1904年，他在海德堡举行的国际数学大会上发表论文“论粘性很小的流体的运动”，提出了著名的边界层理论，被誉为近代流体力学的里程碑和空气动力学的奠基石。同年，应哥廷根大学技术物理学院院长克莱因（Felix Klein）教授邀请，普朗特从汉诺威大学转到哥廷根大学任副教授，1907年晋升正教授，任技术物理所（后来的应用力学所）所长。1925年，Kaiser-Wilhelm流体动力学研究所创建，普朗特出任该所所长，直至1946年退休。退休后，普朗特作为哥廷根大学的荣誉退休教授，继续从事研究工作，1953年因病去世。
鉴于他所作出的科学贡献，普朗特在他的一生中，获得了许多殊荣。国际上许多大学授予他名誉博士头衔，著名的科学院选举他为院士，科学学会提名他为荣誉会员。冯 卡门一直认为，普朗特作出的科学贡献是诺贝尔奖水平的成果，他曾在回忆录[1]中写道“从揭示自然界奥秘来讲，我认为普朗特在流体力学方面的发现对基础科学的贡献很大。按理，他应该获得诺贝尔奖金，但偏偏一辈子也没有轮到。”对这一观点，获得了许多著名学者的认同。比如，美国马里兰大学宇航工程教授Jhon D Anderson Jr.在2004年纪念普朗特边界层理论发表一百周年的文章中指出[2]：“现今的空气动力学和流体动力学世界仍然由普朗特的思想所引领，我们完全有权指出，普朗特的边界层概念具有诺贝尔奖的价值。”，普朗特作为诺贝尔奖的无冕之王，已成为力学界永久的骄傲。
普朗特的生平和学术贡献可见于许多著名学者写的纪念性文章和专著。其中，很多出自他的学生和同事。据统计，普朗特一生共指导学生完成了83篇学位论文，包括被誉为航空与航天时代的科学奇才冯 卡门的博士论文和我国早期著名空气动力学教授陆士嘉的博士论文。在冯 卡门晚年写的长篇自传回忆录中，有相当的篇幅回忆他的导师普朗特[1]，字里行间，表示了对普朗特作为良师益友的尊敬，他写到“入学伊始，普朗特教授对我的学习就很关心。后来在科学界有‘空气动力学之父’称号的这位教授，那时才33岁（只比我大8岁），就担任了应用物理系的系主任。此外，由于在流体力学基础理论方面的重大突破，他已是一位声望很高的科学家。几年后，他的理论就使航空工程师们抛开试探法，踏进了科学设计的大门。”在列举了许多耳闻目睹的普朗特的工作和生活趣事后，冯 卡门总结性地归纳出“在科学上，他造诣很深；在人际关系上，他是一位良师；对待自己的生活，他马马虎虎，漫不经心；而他的行为举动，往往又象个天真的孩子。”我们力学专业的青年学生在学习普朗特边界层理论的同时，从力学史的角度，了解他的治学态度、人格魅力和志趣爱好，对于自己今后的成长，应该是一件非常有益的事情。
关于普朗特，这里有两本新书特别值得推荐。一本是哥廷根大学出版社在2014年出版的“路德维希 普朗特—源自记忆和书信的个人传记”[2]，作者是普朗特的女儿Johanna Vogel-Prandtl，全书分28章，共244页，生动地再次为我们展现了这位二十世纪流体力学大师的一生。另一本是清华大学出版社的“普朗特纪念报告译文集—一部哥廷根学派的力学发展史”[3]，由张维等人编译，2013年出版。1953年普朗特去世后，自1957年开始，普朗特长期担任主席的德国宇航学会(DGLR)和应用数学力学学会(GAMM)，在每年一届的年会上，邀请一位国际著名的力学家（其中许多是普朗特的学生和同事）做一个纪念普朗特的报告。该书收集了从第一届到第五十一届的纪念篇报告和张维院士生前精选的六篇与普朗特学术活动有关的文章，这些著名学者从各自不同的角度回顾和记录了普朗特的治学理念、学术成就、研究方法和人格魅力，是一本不可多得的了解有关哥廷根学派力学发展史的珍贵资料。

  1. 从Kaiser-Wilhelm流体力学研究所到Max-Planck流体力学研究所

我到哥廷根Max-Planck流体力学研究所时，大院里另一位来自中国大陆的学者是南航的张堃元老师，他主要在德国宇航院流体所（DLR，前身为AVA，即空气动力学研究院）合作科研。我们两个单位在一个大院内，仅一墙之隔。我们的专业相同，又住在招待所的同一栋楼里。当时，我的项目是与直升机有关的涡—翼干扰的噪声研究，他进行的是超声速进气道中激波附面层相互作用的研究。1990年，正好是Max-Planck流体力学研究所的建所65周年，借此契机有机会比较详细地了解它的一些历史和现况。

1908年，普朗特在哥廷根设计建造了德国的第一座回流型风洞，使用一个借来的30马力的电动机；1915年，空气动力学研究院(AVA) 成立，这是一个仍需要自己筹集研究经费的单位。图1所示的AVA照片摄于1924年，它是Kaiser-Wilhelm流体力学研究所的前身，主要成员有普朗特、贝茨（Betz）和阿克莱特（Ackeret）。
早在1911年威廉皇帝科学促进会成立时，普朗特在柯莱因的鼓励下，就为流体力学研究所的创办递交了一个备忘录。1922年威廉皇帝科学促进会同意在哥廷根建立一个具有固定经费预算的水动力学和空气动力学的威廉皇帝研究所，这使普朗特决定再次拒绝了他岳父所在的慕尼黑工业大学的职位，留在了哥廷根。1925年Kaiser-Wilhelm流体力学研究所成立，普朗特出任所长。流体力学研究所合并了1915年成立的空气动力学研究院，在它的第一个12年中，普朗特团队开辟了一系列新的研究方向，做出了一系列创新性的研究成果，其中包括普朗特提出的湍流混合长度概念、托尔明（Tollmien）有关非定常边界层及其稳定性的研究、尼古拉兹（Nikuradse）有关湍流管道阻力的研究、贝茨（Betz）有关翼型阻力的研究、阿克莱特（Ackeret）的超声速流相似律和吸气边界层研究、和布泽曼（Busemann）的激波-极线图研究和希里西廷（Schlichting）尾迹中自由湍流的研究等。

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图1？ 空气动力学研究院(AVA)成员1924年合影

（前排站立右2为贝茨，右3为普朗特，右4为阿克莱特）

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图2？ 普朗特和他的助手于1927年的合影

（前排右2为托尔明，右3为普朗特，右5为贝茨，右6为阿克莱特）

到1938年，由于空气动力学研究院的管理部门过度扩充，它从Kaiser-Wilhelm流体力学研究所独立出来，由贝茨任主任，下设八个研究所。Max-Planck流体力学研究所与空气动力学研究院（AVA）位于同样的地点，两个院子仅一墙之隔。尽管是两个不同的单位，但有着非常密切的联系，比如普朗特是流体力学研究所的所长，又是空气动力学研究院理事会的主席。据统计，到1945年，流体力学研究所的在职人员是40人，而空气动力学研究院在二战时期的雇员已经达到了700名。除了规模和雇员人数的不同，另一个显著的差别是，两个单位同在一个地点，但有两个不同的入口，进入空气动力学研究院要检查证件身份，而流体力学研究所的入口则非常宽松。这一差别，在我1990年-1991年停留哥廷根的阶段依然保留。

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图3？ 1937年的Kaiser-Wilhelm流体力学研究所

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图3？ 1990年的Kaiser-Wilhelm流体力学研究所

1945年，第二次世界大战结束，两个研究单位当年同时被英国军方关闭，Kaiser-Wilhelm流体力学研究所1946年就得以恢复建制，1948年归入Max-Planck学会，更名为Max-Planck流体力学研究所。而一墙之隔的空气动力学研究院命运要坎坷得多，由于它隶属空军部，具有明显的军方背景，直至1953年才得以重建。

Max-Planck流体力学研究所一直保持着小规模建制的特色，其组织结构更象一个大家庭，所长普朗特则一直是这个家庭合格的家长，直至1946年退休。除了建制之外，从房屋建造的角度，流体力学研究所长期以来也基本上保持其原样的风格。这一点给我印象非常深刻，立刻使我联想到了清华校长梅贻琦的名言：“所谓大学者，非谓有大楼之谓也，有大师之谓也”。图3和图4是Max-Planck流体力学研究所在1937年和1990年拍摄的两张照片，其外观和建筑布局几乎没有明显的变化。但这不妨碍它吸引一流的学者，从事一流的学术研究，这一点是非常值得我们反思的。普朗特这种低调的风格在研究所一直得以延续。从1990年Max-Planck流体力学研究所的年鉴中可以看到，全所的人员构成是：教授5人（其中大学教授一名，即研究所所长E-A Mueller；教授4名，包括我的主访教授Dr. Obermeier F），编制内研究人员14人，博士后等其它人员14人，技术人员13人，秘书2人、国外访问学者35人。从中可以看出，1945年流体力学研究所的在职人员是40人，1990年包括博士后在内为48人。仅有的两名秘书，把一个研究所的行政事务管理得井井有序，包括我作为访问学者到研究所的各种手续和住房安排。与我们国内基础研究单位的庞大建制相比，使我对德国的高科研产出率有了进一步的认识。
1991年7月离开前，哥廷根的同事告诉两件事情。第一件事情是，一个国际评估组即将开始对Max-Planck流体力学研究所的研究成果进行评估。为了保持基础研究的领先地位，对于有固定经费预算的Max-Planck研究所，这种评估是非常严格的。尽管现任所长Mueller教授及其同事在涡声等方面的研究保持国际领先的地位，他们感到，已经无法与普朗特、托尔明等几位前任所长的辉煌时期相比。第二件事情是，近期哥廷根Max-Planck生物物理化学研究所在膜片钳技术方面取得了重大进展。回到中国后，很快两件事情先后有了结果。不出几个月，得知哥廷根Max-Planck生物物理化学研究所的厄温 内尔（Erwin Neher）和伯特 萨克曼（Bert Sakmann）获1991年诺贝尔生理医学奖。而国际评估团的评估结果是，Max-Planck流体力学研究所需要向非线性物理调整他们的研究方向，经过十余年的逐步过渡和调正， Max-Planck流体力学研究所完成了转向的任务。2004年11月19日，经历了80年的辉煌之后，Max-Planck流体力学研究所被更名为Max-Planck动力学和自组织研究所（Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization）。


  1. 哥廷根学派的发源地—哥廷根大学
普朗特1904年来到哥廷根大学前已经是汉诺威技术学校的正教授，当时克莱因只能提供给他以为相当于副教授的编外职位，并不具有大学教师的身份[5]。究竟是什么具有如此大的吸引力，使他义无反顾地来到哥廷根大学。始建于1735年的Georg-August大学（哥廷根大学的前身）是一所没有校门和围墙的大学，与哥廷根市融为一体，使得哥廷根有了大学城的美誉。哥廷根大学曾拥有辉煌的历史，名人辈出，蜚声世界。普朗特毅然前往哥廷根大学的原因，也许可以从冯 卡门的自传中得到启示，冯 卡门写道[1]：“只要一提到哥廷根，我至今仍然感到激动不已。英王乔治二世于1734年创办的这所古老的普鲁士大学，有时候人们管他叫乔治亚 奥古斯都大教堂。后来哥廷根成了欧洲大陆的哲学、语言学和法学的发源地。我进哥廷根时，它又是全世界一个主要数学中心。高斯、韦伯、黎曼、普朗克、希尔伯特以及基础科学方面的众英才都是哥廷根大学出身。在学术研究和教学方面，素有德国大学王子称号的哥廷根大学，以倡导自由、独创的学风闻名于世。这种治学精神终于使它成为培育20世纪科学巨匠的摇篮。”共有普朗克、弗兰克、海森堡、费米和波恩等45名诺贝尔奖获得者曾在哥廷根大学学习或工作，还不包括象普朗特和希尔伯特等无冕之王。获奖的领域包括物理、化学、生物医学、和平及文学，可谓群星灿烂。在20世纪上半叶，创造了“哥廷根诺贝尔奇迹”。
在这样的背景下，普朗特如鱼得水，在哥廷根3年后便获得了正教授的席位。而且，他的力学教授席位是近半个世纪以来德国大学里的首个。在哥廷根大学任教的阶段，他的研究成果包括：发表了如何估计激波厚度的研究论文；建立了超声速流中的普朗特—迈尔理论；提出了普朗特机翼理论；发现了亚声速流中的普朗特—哥劳特比拟；在他指导下，布拉修斯获得了平板边界层的精确解；冯 卡门发表了圆柱绕流尾迹中涡街的论文；普尔豪森建立了边界层的积分方程。这些创新性成果，填补了流体力学的许多研究空白，现今已经成为流体力学或空气动力学教程中的重要内容。
普朗特的研究一贯重视理论和实践的相互结合，这不但与邀请他进入哥廷根大学的克莱因教授的办学思想一脉相承，也为他今后创办Kaiser-Wilhelm流体力学研究所，并大展宏图提供了良好的基础。理论和工程技术相结合的作风也正是他在工程科学领域所创立的哥廷根应用力学学派的核心思想。

参考文献

  1. 冯 卡门、李 爱特生，冯 卡门—航空与航天时代的科学奇才，上海科学技术出版社，1991

  2. Jhon D Anderson Jr., Ludwig Prandtl’s Boundary Layer, Physics Today, December 2005, pp 42-48

  3. Johanna Vogel-Prandtl, Ludwig Prandtl-A Personal Biography Drawn from Memories and Correspondence, Universitaetsverlag Goettingen 2014

  4. 张维、符松、章光华、任文敏编译，普朗特纪念报告译文集—一部哥廷根学派的力学发展史，清华大学出版社2013

  5. K. Oswatitsch、K. Wieghardt，Ludwig Prandtl and his Kaiser-Wilhelm–Institut，Ann. Rev. Fluid Mech. 1987. 19:1-25

Ludwig Prandtl and his Institute of Fluid Mechanics

—to Memorialize 90th Anniversary of Max-Planck Institute of Fluid Mechanics

Ke-Qin ZHU

Tsinghua University, Aerospace School, Beijing 100084

Abstract

In 1925，Ludwig Prandtl established Kaiser-Wilhelm institute of fluid mechanics (predecessor of Max-Planck institute of fluid mechanics). Prandtl and his institute of fluid mechanics have important position in the world history of mechanics. As the life of a person, Max-Planck institute of fluid mechanics experienced four stages: birth, pullulation, resplendency and end. It wrote splendid chapters in the world history of mechanics. This paper is to Memorialize 90th Anniversary of Max-Planck Institute of Fluid Mechanics and its founder Ludwig Prandtl.

Key words：Ludwig Prandtl, Max-Planck Institute of Fluid Mechanics, University of Goettingen