普朗特和他的流體力學(xué)研究所

—紀(jì)念Max-Planck流體力學(xué)研究所創(chuàng)辦90周年

朱克勤

清華大學(xué) 航天航空學(xué)院

摘要

1925年，普朗特在德國哥廷根創(chuàng)建了Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所(Max-Planck學(xué)會(huì)流體力學(xué)研究所的前身)。普朗特和他的研究所在世界力學(xué)史中都具有非常重要的地位。有如人的一生，哥廷根Max-Planck學(xué)會(huì)流體力學(xué)研究所經(jīng)歷了誕生、成長、輝煌和終結(jié)的整個(gè)過程，給世界力學(xué)史留下了精彩的篇章，此文用以紀(jì)念該研究所創(chuàng)辦90周年和它的奠基人普朗特。
關(guān)鍵詞：普朗特；Max-Planck流體力學(xué)研究所；哥廷根大學(xué)

1. 引言

1990年初，作為教育部公派，我開始了去聯(lián)邦德國作為期一年訪問學(xué)者的準(zhǔn)備。當(dāng)時(shí)，聯(lián)系了兩個(gè)單位：哥廷根Max-Planck學(xué)會(huì)流體力學(xué)研究所和亞琛工業(yè)大學(xué)空氣動(dòng)力研究所。在我的年輕時(shí)代，這兩個(gè)研究所都被認(rèn)為是流體力學(xué)學(xué)科的“麥加圣地”，它們的老所長普朗特和馮 卡門都被譽(yù)為20世紀(jì)的流體力學(xué)大師。在猶豫不決之時(shí)，我與當(dāng)時(shí)德籍語言老師進(jìn)行了一次討論，最后決定前往普朗特創(chuàng)辦的哥廷根Max-Planck學(xué)會(huì)流體力學(xué)研究所。1990年5月23日—1991年7月22日，作為訪問學(xué)者，我在那里生活和工作了一年另2個(gè)月，在從事研究工作的同時(shí)，不但親身體會(huì)了力學(xué)哥廷根學(xué)派的研究風(fēng)格和學(xué)術(shù)氛圍，多次參觀了哥廷根大學(xué)，收集了不少有關(guān)的資料，也經(jīng)歷了東西德國統(tǒng)一的重大事件。今年，恰逢該研究所創(chuàng)辦90周年，鑒于它在世界力學(xué)史中的重要地位和留下的精彩篇章，寫此短文以茲紀(jì)念。

1. Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所的創(chuàng)建人—路德維希 普朗特

哥廷根Max-Planck學(xué)會(huì)流體力學(xué)研究所的前身是Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所，由普朗特在1925年創(chuàng)建。普朗特作為近代力學(xué)的奠基人之一，被譽(yù)為空氣動(dòng)力學(xué)之父，1875年2月4日生于德國慕尼黑附近的弗賴辛。1900年在慕尼黑工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系獲彈性力學(xué)的博士學(xué)位后，他開始轉(zhuǎn)向流體力學(xué)的研究。1901年，普朗特受聘漢諾威技術(shù)學(xué)校（Technical School in Hannover，現(xiàn)為漢諾威技術(shù)大學(xué)，Technical University Hannover）任流體力學(xué)教授。1904年，他在海德堡舉行的國際數(shù)學(xué)大會(huì)上發(fā)表論文“論粘性很小的流體的運(yùn)動(dòng)”，提出了著名的邊界層理論，被譽(yù)為近代流體力學(xué)的里程碑和空氣動(dòng)力學(xué)的奠基石。同年，應(yīng)哥廷根大學(xué)技術(shù)物理學(xué)院院長克萊因（Felix Klein）教授邀請，普朗特從漢諾威大學(xué)轉(zhuǎn)到哥廷根大學(xué)任副教授，1907年晉升正教授，任技術(shù)物理所（后來的應(yīng)用力學(xué)所）所長。1925年，Kaiser-Wilhelm流體動(dòng)力學(xué)研究所創(chuàng)建，普朗特出任該所所長，直至1946年退休。退休后，普朗特作為哥廷根大學(xué)的榮譽(yù)退休教授，繼續(xù)從事研究工作，1953年因病去世。
鑒于他所作出的科學(xué)貢獻(xiàn)，普朗特在他的一生中，獲得了許多殊榮。國際上許多大學(xué)授予他名譽(yù)博士頭銜，著名的科學(xué)院選舉他為院士，科學(xué)學(xué)會(huì)提名他為榮譽(yù)會(huì)員。馮 卡門一直認(rèn)為，普朗特作出的科學(xué)貢獻(xiàn)是諾貝爾獎(jiǎng)水平的成果，他曾在回憶錄[1]中寫道“從揭示自然界奧秘來講，我認(rèn)為普朗特在流體力學(xué)方面的發(fā)現(xiàn)對基礎(chǔ)科學(xué)的貢獻(xiàn)很大。按理，他應(yīng)該獲得諾貝爾獎(jiǎng)金，但偏偏一輩子也沒有輪到。”對這一觀點(diǎn)，獲得了許多著名學(xué)者的認(rèn)同。比如，美國馬里蘭大學(xué)宇航工程教授Jhon D Anderson Jr.在2004年紀(jì)念普朗特邊界層理論發(fā)表一百周年的文章中指出[2]：“現(xiàn)今的空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)世界仍然由普朗特的思想所引領(lǐng)，我們完全有權(quán)指出，普朗特的邊界層概念具有諾貝爾獎(jiǎng)的價(jià)值?！?，普朗特作為諾貝爾獎(jiǎng)的無冕之王，已成為力學(xué)界永久的驕傲。
普朗特的生平和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)可見于許多著名學(xué)者寫的紀(jì)念性文章和專著。其中，很多出自他的學(xué)生和同事。據(jù)統(tǒng)計(jì)，普朗特一生共指導(dǎo)學(xué)生完成了83篇學(xué)位論文，包括被譽(yù)為航空與航天時(shí)代的科學(xué)奇才馮 卡門的博士論文和我國早期著名空氣動(dòng)力學(xué)教授陸士嘉的博士論文。在馮 卡門晚年寫的長篇自傳回憶錄中，有相當(dāng)?shù)钠貞浰膶?dǎo)師普朗特[1]，字里行間，表示了對普朗特作為良師益友的尊敬，他寫到“入學(xué)伊始，普朗特教授對我的學(xué)習(xí)就很關(guān)心。后來在科學(xué)界有‘空氣動(dòng)力學(xué)之父’稱號的這位教授，那時(shí)才33歲（只比我大8歲），就擔(dān)任了應(yīng)用物理系的系主任。此外，由于在流體力學(xué)基礎(chǔ)理論方面的重大突破，他已是一位聲望很高的科學(xué)家。幾年后，他的理論就使航空工程師們拋開試探法，踏進(jìn)了科學(xué)設(shè)計(jì)的大門?！痹诹信e了許多耳聞目睹的普朗特的工作和生活趣事后，馮 卡門總結(jié)性地歸納出“在科學(xué)上，他造詣很深；在人際關(guān)系上，他是一位良師；對待自己的生活，他馬馬虎虎，漫不經(jīng)心；而他的行為舉動(dòng)，往往又象個(gè)天真的孩子?！蔽覀兞W(xué)專業(yè)的青年學(xué)生在學(xué)習(xí)普朗特邊界層理論的同時(shí)，從力學(xué)史的角度，了解他的治學(xué)態(tài)度、人格魅力和志趣愛好，對于自己今后的成長，應(yīng)該是一件非常有益的事情。
關(guān)于普朗特，這里有兩本新書特別值得推薦。一本是哥廷根大學(xué)出版社在2014年出版的“路德維希 普朗特—源自記憶和書信的個(gè)人傳記”[2]，作者是普朗特的女兒Johanna Vogel-Prandtl，全書分28章，共244頁，生動(dòng)地再次為我們展現(xiàn)了這位二十世紀(jì)流體力學(xué)大師的一生。另一本是清華大學(xué)出版社的“普朗特紀(jì)念報(bào)告譯文集—一部哥廷根學(xué)派的力學(xué)發(fā)展史”[3]，由張維等人編譯，2013年出版。1953年普朗特去世后，自1957年開始，普朗特長期擔(dān)任主席的德國宇航學(xué)會(huì)(DGLR)和應(yīng)用數(shù)學(xué)力學(xué)學(xué)會(huì)(GAMM)，在每年一屆的年會(huì)上，邀請一位國際著名的力學(xué)家（其中許多是普朗特的學(xué)生和同事）做一個(gè)紀(jì)念普朗特的報(bào)告。該書收集了從第一屆到第五十一屆的紀(jì)念篇報(bào)告和張維院士生前精選的六篇與普朗特學(xué)術(shù)活動(dòng)有關(guān)的文章，這些著名學(xué)者從各自不同的角度回顧和記錄了普朗特的治學(xué)理念、學(xué)術(shù)成就、研究方法和人格魅力，是一本不可多得的了解有關(guān)哥廷根學(xué)派力學(xué)發(fā)展史的珍貴資料。

1. 從Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所到Max-Planck流體力學(xué)研究所

我到哥廷根Max-Planck流體力學(xué)研究所時(shí)，大院里另一位來自中國大陸的學(xué)者是南航的張堃元老師，他主要在德國宇航院流體所（DLR，前身為AVA，即空氣動(dòng)力學(xué)研究院）合作科研。我們兩個(gè)單位在一個(gè)大院內(nèi)，僅一墻之隔。我們的專業(yè)相同，又住在招待所的同一棟樓里。當(dāng)時(shí)，我的項(xiàng)目是與直升機(jī)有關(guān)的渦—翼干擾的噪聲研究，他進(jìn)行的是超聲速進(jìn)氣道中激波附面層相互作用的研究。1990年，正好是Max-Planck流體力學(xué)研究所的建所65周年，借此契機(jī)有機(jī)會(huì)比較詳細(xì)地了解它的一些歷史和現(xiàn)況。

1908年，普朗特在哥廷根設(shè)計(jì)建造了德國的第一座回流型風(fēng)洞，使用一個(gè)借來的30馬力的電動(dòng)機(jī)；1915年，空氣動(dòng)力學(xué)研究院(AVA) 成立，這是一個(gè)仍需要自己籌集研究經(jīng)費(fèi)的單位。圖1所示的AVA照片攝于1924年，它是Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所的前身，主要成員有普朗特、貝茨（Betz）和阿克萊特（Ackeret）。
早在1911年威廉皇帝科學(xué)促進(jìn)會(huì)成立時(shí)，普朗特在柯萊因的鼓勵(lì)下，就為流體力學(xué)研究所的創(chuàng)辦遞交了一個(gè)備忘錄。1922年威廉皇帝科學(xué)促進(jìn)會(huì)同意在哥廷根建立一個(gè)具有固定經(jīng)費(fèi)預(yù)算的水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的威廉皇帝研究所，這使普朗特決定再次拒絕了他岳父所在的慕尼黑工業(yè)大學(xué)的職位，留在了哥廷根。1925年Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所成立，普朗特出任所長。流體力學(xué)研究所合并了1915年成立的空氣動(dòng)力學(xué)研究院，在它的第一個(gè)12年中，普朗特團(tuán)隊(duì)開辟了一系列新的研究方向，做出了一系列創(chuàng)新性的研究成果，其中包括普朗特提出的湍流混合長度概念、托爾明（Tollmien）有關(guān)非定常邊界層及其穩(wěn)定性的研究、尼古拉茲（Nikuradse）有關(guān)湍流管道阻力的研究、貝茨（Betz）有關(guān)翼型阻力的研究、阿克萊特（Ackeret）的超聲速流相似律和吸氣邊界層研究、和布澤曼（Busemann）的激波-極線圖研究和希里西廷（Schlichting）尾跡中自由湍流的研究等。

圖1？ 空氣動(dòng)力學(xué)研究院(AVA)成員1924年合影

（前排站立右2為貝茨，右3為普朗特，右4為阿克萊特）

圖2？ 普朗特和他的助手于1927年的合影

（前排右2為托爾明，右3為普朗特，右5為貝茨，右6為阿克萊特）

到1938年，由于空氣動(dòng)力學(xué)研究院的管理部門過度擴(kuò)充，它從Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所獨(dú)立出來，由貝茨任主任，下設(shè)八個(gè)研究所。Max-Planck流體力學(xué)研究所與空氣動(dòng)力學(xué)研究院（AVA）位于同樣的地點(diǎn)，兩個(gè)院子僅一墻之隔。盡管是兩個(gè)不同的單位，但有著非常密切的聯(lián)系，比如普朗特是流體力學(xué)研究所的所長，又是空氣動(dòng)力學(xué)研究院理事會(huì)的主席。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1945年，流體力學(xué)研究所的在職人員是40人，而空氣動(dòng)力學(xué)研究院在二戰(zhàn)時(shí)期的雇員已經(jīng)達(dá)到了700名。除了規(guī)模和雇員人數(shù)的不同，另一個(gè)顯著的差別是，兩個(gè)單位同在一個(gè)地點(diǎn)，但有兩個(gè)不同的入口，進(jìn)入空氣動(dòng)力學(xué)研究院要檢查證件身份，而流體力學(xué)研究所的入口則非常寬松。這一差別，在我1990年-1991年停留哥廷根的階段依然保留。

圖3？ 1937年的Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所

圖3？ 1990年的Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所

1945年，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，兩個(gè)研究單位當(dāng)年同時(shí)被英國軍方關(guān)閉，Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所1946年就得以恢復(fù)建制，1948年歸入Max-Planck學(xué)會(huì)，更名為Max-Planck流體力學(xué)研究所。而一墻之隔的空氣動(dòng)力學(xué)研究院命運(yùn)要坎坷得多，由于它隸屬空軍部，具有明顯的軍方背景，直至1953年才得以重建。

Max-Planck流體力學(xué)研究所一直保持著小規(guī)模建制的特色，其組織結(jié)構(gòu)更象一個(gè)大家庭，所長普朗特則一直是這個(gè)家庭合格的家長，直至1946年退休。除了建制之外，從房屋建造的角度，流體力學(xué)研究所長期以來也基本上保持其原樣的風(fēng)格。這一點(diǎn)給我印象非常深刻，立刻使我聯(lián)想到了清華校長梅貽琦的名言：“所謂大學(xué)者，非謂有大樓之謂也，有大師之謂也”。圖3和圖4是Max-Planck流體力學(xué)研究所在1937年和1990年拍攝的兩張照片，其外觀和建筑布局幾乎沒有明顯的變化。但這不妨礙它吸引一流的學(xué)者，從事一流的學(xué)術(shù)研究，這一點(diǎn)是非常值得我們反思的。普朗特這種低調(diào)的風(fēng)格在研究所一直得以延續(xù)。從1990年Max-Planck流體力學(xué)研究所的年鑒中可以看到，全所的人員構(gòu)成是：教授5人（其中大學(xué)教授一名，即研究所所長E-A Mueller；教授4名，包括我的主訪教授Dr. Obermeier F），編制內(nèi)研究人員14人，博士后等其它人員14人，技術(shù)人員13人，秘書2人、國外訪問學(xué)者35人。從中可以看出，1945年流體力學(xué)研究所的在職人員是40人，1990年包括博士后在內(nèi)為48人。僅有的兩名秘書，把一個(gè)研究所的行政事務(wù)管理得井井有序，包括我作為訪問學(xué)者到研究所的各種手續(xù)和住房安排。與我們國內(nèi)基礎(chǔ)研究單位的龐大建制相比，使我對德國的高科研產(chǎn)出率有了進(jìn)一步的認(rèn)識。
1991年7月離開前，哥廷根的同事告訴兩件事情。第一件事情是，一個(gè)國際評估組即將開始對Max-Planck流體力學(xué)研究所的研究成果進(jìn)行評估。為了保持基礎(chǔ)研究的領(lǐng)先地位，對于有固定經(jīng)費(fèi)預(yù)算的Max-Planck研究所，這種評估是非常嚴(yán)格的。盡管現(xiàn)任所長Mueller教授及其同事在渦聲等方面的研究保持國際領(lǐng)先的地位，他們感到，已經(jīng)無法與普朗特、托爾明等幾位前任所長的輝煌時(shí)期相比。第二件事情是，近期哥廷根Max-Planck生物物理化學(xué)研究所在膜片鉗技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展。回到中國后，很快兩件事情先后有了結(jié)果。不出幾個(gè)月，得知哥廷根Max-Planck生物物理化學(xué)研究所的厄溫 內(nèi)爾（Erwin Neher）和伯特 薩克曼（Bert Sakmann）獲1991年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。而國際評估團(tuán)的評估結(jié)果是，Max-Planck流體力學(xué)研究所需要向非線性物理調(diào)整他們的研究方向，經(jīng)過十余年的逐步過渡和調(diào)正， Max-Planck流體力學(xué)研究所完成了轉(zhuǎn)向的任務(wù)。2004年11月19日，經(jīng)歷了80年的輝煌之后，Max-Planck流體力學(xué)研究所被更名為Max-Planck動(dòng)力學(xué)和自組織研究所（Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization）。

1. 哥廷根學(xué)派的發(fā)源地—哥廷根大學(xué)

普朗特1904年來到哥廷根大學(xué)前已經(jīng)是漢諾威技術(shù)學(xué)校的正教授，當(dāng)時(shí)克萊因只能提供給他以為相當(dāng)于副教授的編外職位，并不具有大學(xué)教師的身份[5]。究竟是什么具有如此大的吸引力，使他義無反顧地來到哥廷根大學(xué)。始建于1735年的Georg-August大學(xué)（哥廷根大學(xué)的前身）是一所沒有校門和圍墻的大學(xué)，與哥廷根市融為一體，使得哥廷根有了大學(xué)城的美譽(yù)。哥廷根大學(xué)曾擁有輝煌的歷史，名人輩出，蜚聲世界。普朗特毅然前往哥廷根大學(xué)的原因，也許可以從馮 卡門的自傳中得到啟示，馮 卡門寫道[1]：“只要一提到哥廷根，我至今仍然感到激動(dòng)不已。英王喬治二世于1734年創(chuàng)辦的這所古老的普魯士大學(xué)，有時(shí)候人們管他叫喬治亞 奧古斯都大教堂。后來哥廷根成了歐洲大陸的哲學(xué)、語言學(xué)和法學(xué)的發(fā)源地。我進(jìn)哥廷根時(shí)，它又是全世界一個(gè)主要數(shù)學(xué)中心。高斯、韋伯、黎曼、普朗克、希爾伯特以及基礎(chǔ)科學(xué)方面的眾英才都是哥廷根大學(xué)出身。在學(xué)術(shù)研究和教學(xué)方面，素有德國大學(xué)王子稱號的哥廷根大學(xué)，以倡導(dǎo)自由、獨(dú)創(chuàng)的學(xué)風(fēng)聞名于世。這種治學(xué)精神終于使它成為培育20世紀(jì)科學(xué)巨匠的搖籃?！惫灿衅绽士恕⒏ヌm克、海森堡、費(fèi)米和波恩等45名諾貝爾獎(jiǎng)獲得者曾在哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)或工作，還不包括象普朗特和希爾伯特等無冕之王。獲獎(jiǎng)的領(lǐng)域包括物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、和平及文學(xué)，可謂群星燦爛。在20世紀(jì)上半葉，創(chuàng)造了“哥廷根諾貝爾奇跡”。
在這樣的背景下，普朗特如魚得水，在哥廷根3年后便獲得了正教授的席位。而且，他的力學(xué)教授席位是近半個(gè)世紀(jì)以來德國大學(xué)里的首個(gè)。在哥廷根大學(xué)任教的階段，他的研究成果包括：發(fā)表了如何估計(jì)激波厚度的研究論文；建立了超聲速流中的普朗特—邁爾理論；提出了普朗特機(jī)翼理論；發(fā)現(xiàn)了亞聲速流中的普朗特—哥勞特比擬；在他指導(dǎo)下，布拉修斯獲得了平板邊界層的精確解；馮 卡門發(fā)表了圓柱繞流尾跡中渦街的論文；普爾豪森建立了邊界層的積分方程。這些創(chuàng)新性成果，填補(bǔ)了流體力學(xué)的許多研究空白，現(xiàn)今已經(jīng)成為流體力學(xué)或空氣動(dòng)力學(xué)教程中的重要內(nèi)容。
普朗特的研究一貫重視理論和實(shí)踐的相互結(jié)合，這不但與邀請他進(jìn)入哥廷根大學(xué)的克萊因教授的辦學(xué)思想一脈相承，也為他今后創(chuàng)辦Kaiser-Wilhelm流體力學(xué)研究所，并大展宏圖提供了良好的基礎(chǔ)。理論和工程技術(shù)相結(jié)合的作風(fēng)也正是他在工程科學(xué)領(lǐng)域所創(chuàng)立的哥廷根應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的核心思想。

參考文獻(xiàn)

1. 馮 卡門、李 愛特生，馮 卡門—航空與航天時(shí)代的科學(xué)奇才，上?？茖W(xué)技術(shù)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. 張維、符松、章光華、任文敏編譯，普朗特紀(jì)念報(bào)告譯文集—一部哥廷根學(xué)派的力學(xué)發(fā)展史，清華大學(xué)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 90^th 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 90^th 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