流体力学(5页).doc

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1、-流体力学-第 5 页流体力学的研究进展 收稿日期：2014-03-10 作者简介：徐明芝（1994），女，本科，环境工程专业。E-mail:1239776063徐明芝1,2（1.城市建设与环境工程学院2012级环境工程02班，重庆 401331；2.重庆大学，重庆 401331）摘要：流体力学分布范围广，涉及到工程建设的各个方面，更是与国家的建设与人民的生活息息相关。自阿基米德建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体力学的基础后，流体力学在人类认识和改造自然的斗争中，随着实践经验的不断积累，技术与知识水平逐渐提高。通过查阅相关文献资料，总结流体力学近些年来的发展成果，

2、发现目前人存在的难题，把握流体力学的发展趋势。目前计算流体力学由于计算机科学发展的日新月异，发展势头良好；多相流体力学也初见受到国家的重视。但仍然存在一些难以攻克的问题，如湍流。同时，由流体力学衍生出不少综合性学科，如植物流体力学，振荡流体力学等，能针对具体的情况，给出最理想的而解决方案。充分利用好流体力学的优势，发展流体力学及相关科学，必定能给国家的经济和环境建设带来巨大的收益。关键词：研究方向;计算流体力学；多相流；湍流；综合性学科；植物流体力学Advances in fluid mechanicsXu MingzhiI,II(I.Class2,Urban Construction and

3、 Environmental Engineering 2012,Chongqing 401331;II.Chongqing University,Chongqing 401331, China)Abstract:Fluid mechanics is widely distributed in many aspects.Hydrodynamics in technology and knowledge level has been improved after Archimedes had established the theory of fluid balance which conclud

4、e Physics of buoyancy and The stability of the floating body.Through access to relevant literature,summarize the results of development,discovery problem and grasp the development trend.At present,Computational Fluid Dynamics and Multiphase Fluid Dynamics are good prospects for development but Turbu

5、lence is still a difficult problem.At the same time,there are some multidisciplinaries ,such as Plants hydrodynamics and Oscillating fluid dynamics,can settle some problems better.To take good use of fluid mechanics can bring us plenty values.Keywords:Direction of research:Computational Fluid Dynami

6、cs;Multiphase;Turbulence;Multidisciplinary;Plants hydrodynamics一、前言 流体力学主要研究流体（包括液体和气体）在外理作用下宏观平衡及运动的规律，以及与其他运动形态之间相互作用的规律。它的研究对象随着生产的需要与科学的发展在不断地更新、深化和扩大。它的基本任务是在于建立描述流体运动的基本方程，确定流体经各种通道及绕流各种不同物体时速度、压强的分布规律，探求能量转换及各种损失的计算方法，并解决流体与限制其流动的固体壁之间的相互作用问题。120世纪五十年代以来，它主要围绕航空、航天、大气、海洋、航运、水利和各种管路系统等方面，研究流体运

7、动中的动量传递。50年代以后，能源、环境保护、化工、油气开采、采矿和土木建筑等领域中的流体力学问题，逐渐受到重视。近年来，流体的对流传热、传质问题研究收到高度重视，并获得巨大进展。2二、流体力学研究方向 体力学按其研究内容侧重方面的不同，主要分为流体力学（包括理论流体力学、实验流体力学、计算流体力学和应用流体力学）和工程流体力学。理论流体力学主要研究流体力学中的理论知识，研究流体力学中的力学模型，用数学方法求出问题的定量前者是对实际存在的流动现象进行系统观测，以便分析流动规律，预测流动现象的演变，如气象、水文、潮汐研究等。但实际流动往往不易控制，无法重复，且流动尺度大，实验成本比较高。实验流体

8、力学主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的流体流动现象和规律以及流体与固体之间的相互作用。 实验方法包括现场观测及实验室模拟两大类。实验室模拟可控制实验条件，现象可以重演，产生的流动具有典型性，有利于揭示复杂流动的本质和规律，成为主要的实验手段。计算流体力学或计算流体动力学，是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析。计算流体力学是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域，板翅式换热器设计是CFD

9、 技术应用的重要领域之一。应用流体力学是对流体力学知识的运用。它主要应用在：大气，海洋，机械人体，生物流体等方面。而工程流体力学是在水力学体系之下的，力学中的工程力学是研究有关物质宏观运动的规律、及其应用的的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等，所有工程流体力学又是工程力学的一小部分。总的来说，流体力学更偏重于理论性，重视理论的严密性，有较多的理论推导，而工程流体力学是简化了流体力学，更着重于工程利用，实践性较强。三、流体力学在工程中的应用1、流体力学在机械制造业中 水轮机、燃

10、气轮机、蒸汽轮机、喷气发动机、液体燃料火箭、内燃机等都是以流体能量作为原力的动力机械；机床、汽车、飞机、船舶、工程机械等处广泛采用的液压传动都是以流体作为工程介质的传动机械；水压机、油压机、水泵、油泵、通风机、压气机等都是以流体为对象的工作机械。2、在土建工程与环境工程中 给水排水、供热通风燃气供应等工程都要对流体进行进化或加热处理，以及通过管道或渠道输送给用户和车间，在其设备和系统的设计、运行管理及施工中也会遇到一系列的流体力学问题需要解决。在废水、废气对环境的影响、设计铁路和公路的桥梁、路基的排水、隧道通风等设施时，也要用到流体力学知识。33、流体力学在液压工程中 液压控制元件的流体噪声控

11、制是当前面临的长期而艰巨的问题。液压控制元件的噪声主要是液压控制元件内部流道中激振流场诱发的流体振动和噪声，利用流体显示技术可以直接观察元件内部波动现象，研究流道结构对流量系数、液动力等噪声诱发因素。利用计算流体动力学对发的气穴流场进行数值模拟，将气相体积比方程、汽化质量方程引入湍流模型，采用流动显示、噪声测量等手段研究元件内部结构对噪声的影响。在选矿中，物料的分级、矿浆准备器、选矿产品的浓缩脱水，选矿中的重选、浮选以及一些新型的选矿设备中均涉及流体力学。对于水泵，利用流体力学理论设计计算水泵原理，根据流体平衡和运动的基本规律研究流体绕过某种物体或流过某种管道时的速度分布、压力分布、能量损失及

12、其同体的相互作用，4等等。4、流体力学在其他技术领域中的运用也很广泛，与人民生活息息与四化建设相关。例如，研究大气于海洋的运动，使我们分析厄尔尼洛现象产生的原因，做好天气和海情预报，以便为农业、渔业、航空航海、国防和人名生活服务；研究各种空间飞行器如飞机、人造卫星、导弹和各种水上或水下运动机器如鱼雷、潜艇、船舰等的运动，以便获得阻力小、稳定性高的最佳物体外形；研究各种流体运动的规律，可找到减小阻力的方法，以便获得耗能少、安全性高的工程设计；此外，各种运动的提速、油田气田的开发、地下水的利用等无不与流体力学密切相关。四、流体力学发展方向 从流体力学的发展状况可以了解到，从流体力学衍生出了不少综合

13、性学科，如植物流体力学、振荡流体力学等。植物流体力学是以植物（植株和群落）为本体，与其中及其附近的流体（水和空气）为对象，研究这些流体的宏观运动规律以及他们对植物生理生态的影响作用的科学。它是植物生理学、生态学、和流体力学相互交叉、渗透、融汇而产生的边缘学科。研究表明，植物的光合、呼吸、蒸腾作用与液面边界层的湍流特征有直接关系，通过人为改变相关湍流系数，改善植物的生存环境，能大大增加植物的生存质量，对环境又有极大的好处。5振荡流体力学是一门研究流体流经振动物体所产生的振荡流场，以及它与振荡物体之间相互作用规律的学科，包含粘性流体力学、多相流体力学等学科。这些综合学科充分利用流体力学的理论特点，

14、针对特定的问题，给出最恰当的解决方法。6自然界中充满各种各样的流体力学，其发展到今天，它的理论与实践已经非常成熟了，但仍存在难以攻克的问题湍流。目前得到的关于湍流问题的实验结果都是以理想条件为前提的，而在实践中却几乎是不可行的7；而且，目前也有很多种类的湍流理论，如K-模式，Lakshminarayana模式，重整化群（renormalization group）等，但是这些模式没有哪一种可以说绝对优于其他模式，各有各的试用范围。8反而计算流体力学和多相流体力学的兴起以不可挡。以前由于计算工具和计算方法的不完善，理论分析工作的速度跟不上实际工程的需求，如此，其发展缓慢。近些年来，计算机科学迅速

15、发展，计算机、巨型计算机和有关计算的方法得到迅速的发展，是以计算流体力学逐渐兴起(Patterson,G.S.,2013)。9如用MPS法数值模拟低充水仓的晃荡 移动粒子半隐式法(MPS),该方法是一种基于Lagrange观点的数值方法。流体是由有限数量的移动粒子表示,控制方程是在粒子间相互作用模型所表示的梯度、拉普拉斯和自由表面的基础上离散而得的,不需要建立网格,因此,不受网格扭曲的影响,适合模拟带有大变形的水力学问题。同时该方法通过引入粒子数密度的概念和半隐式算法,有效地保持了流体的不可压缩性。，利用设计新颖VOF算法 Volume of Fluid,计算流体体积的方法。，模拟风浪中运动物

16、体所产生的流体问题。10在当今工业化愈益发达的时代，多相流在工业上的应用日益广泛，国际已出现了研究热潮，各方面的学术活动也非常活跃。现在刊登多相流的世界性杂志已超过300种。1974年开始出版了国际多相流杂志。1970年以来，有关多相流的书已出版了记事本，在国内，多相流的研究也开始受到重视。11多相流学科的原创性理论和应用研究方面取得了较为丰硕的成果。多相流国家重点实验室针对大型热能动力系统多相流、石油工程多相流、可再生及替代能源、过程和系统节能与高新技术、通用理论和测量技术等主要研究方向，在极端条件汽液两相流与传热特性及系统节能关键技术、油气集输的节能减排和安全高效关键工艺及装备、高效低阻型

17、气体强化传热技术、清洁替代燃料与天然气掺氢发动机低温低污染燃烧、利用太阳能规模化制氢等方面取得了一系列重要创新。12混合流体的波对流现象也收到重视。不同水平流强度流场的最终发展方向也不同。在极其微弱的水平流强度下，系统发展成为类似无水平流时的定常对流状态，且最大对流振幅整体上随着水平流强度的增大而减小。13在线性对流阶段，各流场基本保持调谐形状，行波以临界频率像上游传播，但各流场并非同相，温度波稍微滞后于流速波，而浓度波则超前流速波1/4波长。如此，在对流的涡卷之间就形成浓度梯度，驱使对流涡卷的相传波，这样的位相关系决定涡卷是向上游方向传播的。14这些研究成果对实际问题的解决提供了基础。对多相

18、流清管模型的研究，如McDonald-Baker清管模型，Barua模型，Minami模型等，经过不断地修改，虽然并没有应用于实际生产，但对以后应用于实践打好了坚实的理论基础。15五、结语 流体力学分布广泛，与人民生活息息相关。目前流体力学各方面发展也日趋成熟，在生产中应用越来越广泛，积极发展与流体力学有关的科学，充分利用身边的资源，不仅让人民生活水品得到提高，而且更好的保护我们生活的自然环境，实现人与自然和谐相处的美好的局面，使人类社会更加美好。参考文献【1】许贤良，王开松，孟利民.流体力学（第二版）M.北京：国防工业出版社，2011.1-3.【2】李忠华，张永利，孙可明.流体力学M.沈阳：

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