1945年，林同驥報(bào)考公費(fèi)留學(xué)美國(guó)。他先在美國(guó)卜力司土客機(jī)制造廠做了半年實(shí)習(xí)工程師，后步入巴黎學(xué)院民航工程系研究生院攻讀博士學(xué)位。在三年半的時(shí)間里，他如饑似渴地學(xué)習(xí)，常常是最后離開(kāi)中學(xué)圖書館的一個(gè)讀者。
1948年，林同驥獲得巴黎學(xué)院研究生院民航工程博士學(xué)位。同年赴日本，在芝加哥學(xué)院從事黏稠二氧化碳的研究和教學(xué)。當(dāng)時(shí)加洲學(xué)院黏稠二氧化碳研究室是日本黏稠二氧化碳領(lǐng)域研究的中心。林同驥在黏稠二氧化碳領(lǐng)域的研究工作遭到她們的注重，并約請(qǐng)他抵達(dá)加洲學(xué)院工作。1953年，林同驥到布朗學(xué)院應(yīng)用物理系從事流體熱學(xué)和彈性熱學(xué)方面的研究。40年代中期，民航步入噴氣客機(jī)時(shí)代。為了提升推動(dòng)效率，壓縮機(jī)、渦輪和螺旋漿都采用復(fù)雜的機(jī)翼截面設(shè)計(jì)。借此為背景，林同驥研究了機(jī)翼截面柱體的圣·維南扭轉(zhuǎn)和彎曲問(wèn)題。借助復(fù)變函數(shù)，給出雙曲機(jī)翼內(nèi)域的保角變換，構(gòu)造了有效的陽(yáng)線積分，提出了機(jī)翼截面內(nèi)奇點(diǎn)的清除方法，因而獲得不同長(zhǎng)度和不同斜度的機(jī)翼截面柱體圣·維南扭轉(zhuǎn)和彎曲問(wèn)題的精確解析解。
按照民航器薄殼結(jié)構(gòu)和在高速飛行下形成高頻震動(dòng)現(xiàn)象，他研究了圓錐殼的軸對(duì)稱型震動(dòng)，提出并解決了高頻震動(dòng)下殼壁截面的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和縱向剪切的雙重效應(yīng)影響問(wèn)題。
林同驥在彈性熱學(xué)方面的上述研究工作，在當(dāng)時(shí)從方式上和結(jié)果上都具有獨(dú)創(chuàng)性。隨著“聲障”的突破，民航器呈現(xiàn)向高速高空發(fā)展的趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)，黏稠二氧化碳高速流動(dòng)的研究起步不久，許多基本問(wèn)題須要從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行闡述。諸如，總壓的檢測(cè)是流體熱學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的基本問(wèn)題。在黏稠二氧化碳情況下，邊界層中存在滑移效應(yīng)，在借助皮托管測(cè)總壓時(shí)，它會(huì)給駐點(diǎn)附近的流動(dòng)導(dǎo)致哪些影響，這是須要解決的一個(gè)基本問(wèn)題。林同驥研究了黏稠二氧化碳邊界層內(nèi)駐點(diǎn)附近的流動(dòng)，發(fā)覺(jué)壁面氣流滑移效應(yīng)與無(wú)滑移解的一階行列式成反比，因而得到了壁面氣流滑移對(duì)駐點(diǎn)總壓影響的理論解，并強(qiáng)調(diào)黏稠二氧化碳的作用是減小了黏性對(duì)總壓的修正，為在滑流領(lǐng)域借助皮托管測(cè)量總壓提供了理論根據(jù)。
林同驥還分別研究了黏稠二氧化碳在兩個(gè)平板和兩個(gè)同心圓錐間的高速流動(dòng)問(wèn)題。給出了高速流動(dòng)下二氧化碳黏性系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨氣溫變化時(shí)的滑流紊流解，剖析了壁面水溫比、流場(chǎng)平均馬赫數(shù)、粘性系數(shù)、氣體黏稠參數(shù)、普朗特?cái)?shù)、比熱比、供應(yīng)系數(shù)和麥克斯威爾反射系數(shù)等8個(gè)參數(shù)對(duì)壁面壓力、摩擦阻力和兩壁間熱傳導(dǎo)的影響，為考察較納維爾－斯托克斯多項(xiàng)式高階的多項(xiàng)式中高階項(xiàng)作用的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論根據(jù)。
林同驥在黏稠二氧化碳領(lǐng)域中的研究成果，已為一些著作、教科書和化學(xué)學(xué)指南所引用。歸國(guó)后的30多年中，林同驥對(duì)中國(guó)的民航和航天事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。50年代，在國(guó)外科學(xué)技術(shù)還很落后的條件下，他主持設(shè)計(jì)建造了中國(guó)第一座暫沖式超聲速風(fēng)洞和氣源系統(tǒng)。從設(shè)計(jì)、加工、建造直至調(diào)試、測(cè)量，他都一一參與實(shí)干。得到了第一個(gè)超聲速紊流，這一設(shè)備后來(lái)所提供的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、方法與經(jīng)驗(yàn)，為中國(guó)民航、航天以及兵器工業(yè)開(kāi)創(chuàng)時(shí)期的設(shè)計(jì)與研發(fā)做出重要貢獻(xiàn)。近看明日中國(guó)實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)熱學(xué)的發(fā)展，則更顯當(dāng)初工作意義之深遠(yuǎn)。
50年代末60年代初，結(jié)合航天事業(yè)發(fā)展的須要物理學(xué)分支圖譜，他從事精湛波速空氣動(dòng)熱學(xué)的基礎(chǔ)研究。他將低溫二氧化碳的熱力學(xué)性質(zhì)、統(tǒng)計(jì)熱學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)兩者相結(jié)合，編撰了《高超波速空氣動(dòng)熱學(xué)》講義，并親赴中國(guó)科技學(xué)院講授。該課件雖因各類緣由沒(méi)有公開(kāi)出版，但卻是一本較早的高速低溫化學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)著作。
自60年代后期起，世界能源危機(jī)對(duì)小型客機(jī)提出了跨波速巡航和對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)提出跨波速機(jī)動(dòng)飛行的要求。迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)為研究提供了新的手段，使跨波速流動(dòng)的研究迅速發(fā)展。林同驥仔細(xì)剖析了跨波速流動(dòng)的數(shù)學(xué)特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)在相應(yīng)的不可壓縮流線和等勢(shì)線的曲線座標(biāo)系內(nèi)，紊流中任意點(diǎn)上可壓縮流動(dòng)的流線與相應(yīng)的不可壓縮流動(dòng)流線之間的傾角很小，因而可將高度非線性的無(wú)粘跨波速流動(dòng)基本多項(xiàng)式大大簡(jiǎn)化。基于這一思想，獲得了無(wú)粘跨波速內(nèi)外流動(dòng)問(wèn)題的一系列成果。1980年，《無(wú)粘跨波速紊流剖析》一文作為特邀報(bào)告，林同驥參加了第一屆歐洲流體力學(xué)會(huì)議，并應(yīng)邀赴日本康奈爾學(xué)院、洛杉磯加洲學(xué)院和加洲理工大學(xué)講學(xué)。這一方式已成為科學(xué)出版社出版的《氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)》一書中有關(guān)跨波速流動(dòng)章節(jié)的部份內(nèi)容。80年代起，考慮到中國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)遠(yuǎn)須要，林同驥組織并投入海洋工程熱學(xué)的研究。以海洋油氣資源開(kāi)發(fā)為背景，他主持國(guó)家教委六五攻關(guān)項(xiàng)目“工程熱學(xué)中若干重要問(wèn)題研究”和七五國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“海洋工程中的熱學(xué)問(wèn)題”研究。研究了各類海洋工程結(jié)構(gòu)及其地基在海浪、海流、海冰、地震、風(fēng)等耦合作用的嚴(yán)峻環(huán)境下的荷載及其響應(yīng)，剖析了海洋工程結(jié)構(gòu)失效直到破壞的緣由和機(jī)理，為經(jīng)濟(jì)安全地設(shè)計(jì)建造海洋平臺(tái)和有效地進(jìn)行油氣生產(chǎn)提供了科學(xué)根據(jù)，同時(shí)推動(dòng)了海洋工程熱學(xué)這一新興熱學(xué)分支學(xué)科的發(fā)展。
林同驥在主持重大科研項(xiàng)目的同時(shí)，主要從事以波浪和漩渦為主要特點(diǎn)的海洋工程流體熱學(xué)研究。他主持設(shè)計(jì)、建造了中國(guó)第一座U型振蕩水槽。采用抽吸式空氣活塞激振以及對(duì)水槽彎段的悉心設(shè)計(jì)，以較低的成本達(dá)到了挺好的試驗(yàn)段紊流品質(zhì)。通過(guò)解析求解納維爾－斯托克斯多項(xiàng)式，林同驥給出了圓形截面直管中層流振蕩流動(dòng)的解物理學(xué)分支圖譜，闡明了流動(dòng)的速率分布隨著振蕩流動(dòng)雷諾數(shù)的變化，由低頻高黏性類型向高頻低黏性邊界層型演變的特點(diǎn)，以及管線的壁面和角部對(duì)振蕩流動(dòng)的影響。他領(lǐng)導(dǎo)課題組進(jìn)行了不同Kc數(shù)下柱體振蕩繞流的理論剖析和實(shí)驗(yàn)，注重研究振蕩流中黏性漩渦的產(chǎn)生、演變、相互作用、流動(dòng)圖譜轉(zhuǎn)換等當(dāng)前流體熱學(xué)研究中極為關(guān)注的基本流動(dòng)現(xiàn)象。幾六年來(lái)，林同驥勤于科學(xué)研究，同時(shí)也在為中國(guó)熱學(xué)學(xué)科的發(fā)展籌劃安排。他對(duì)熱學(xué)的發(fā)展過(guò)程、學(xué)科特性和發(fā)展趨勢(shì)的常年思索集中地反映在他1990年發(fā)表于《力學(xué)進(jìn)展》雜志上的《現(xiàn)代熱學(xué)的發(fā)展》一文中。他強(qiáng)調(diào)：熱學(xué)的發(fā)展已步入現(xiàn)代熱學(xué)階段，現(xiàn)代熱學(xué)在發(fā)展方向和研究?jī)?nèi)容上涌現(xiàn)出大批新的生長(zhǎng)點(diǎn)和交叉領(lǐng)域，并迅速發(fā)展產(chǎn)生新的學(xué)科分支。它們攻占了熱學(xué)研究的主要舞臺(tái)，呈現(xiàn)出百花齊放、百家爭(zhēng)鳴的嶄新局面。林同驥多次出席制定學(xué)科規(guī)劃、確定重大科技項(xiàng)目等工作。他一貫積極支持開(kāi)拓新的研究領(lǐng)域。70年代末80年代初，他就提出要舉辦分離與漩渦流動(dòng)、兩相流動(dòng)、流動(dòng)顯示等方面的研究。1983年，在中國(guó)科大學(xué)數(shù)理學(xué)部全體委員大會(huì)上，他與錢學(xué)森、錢偉長(zhǎng)、莊逢甘等許多知名專家一起，向國(guó)家提出了開(kāi)發(fā)海洋的重大建議。
作為一位科學(xué)家，林同驥深知基礎(chǔ)研究對(duì)自然科學(xué)技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)意義，為使國(guó)家基礎(chǔ)研究得到支持和發(fā)展，他積極參與建議國(guó)家籌建自然科學(xué)基金制度。他作為國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)理學(xué)學(xué)科評(píng)議組成員，為學(xué)科設(shè)置、學(xué)位制度的完善完善等付出了辛勞的勞動(dòng)。
