工程流體力學

工程流體力學

力學運動規律及其應用的學科
流體力學,是研究流體(液體和氣體)的力學運動規律及其應用的學科。主要研究在各種力的作用下,流體本身的靜止狀态和運動狀态,以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形态之間的相互作用和流動的規律。流體力學是力學的一個重要分支,而工程流體力學(應用流體力學)側重在生産生活上的實際應用,它不追求數學上的嚴密性,而是趨向于解決工程中出現的實際問題。
    中文名:工程流體力學 外文名:Engineering Fluid Mechanics 别名: 所屬學科:力學 基本方程:納維-斯托克斯方程 伯努利方程

概述

工程流體力學是為高校能源動力類、機械類、材料類、航空航天類、建築工程類專業開設的技術基礎科(本科生必修課)。面向全校能源與動力工程專業、飛行器動力工程專業、核反應堆工程專業、機械設計制造及其自動化、工程力學專業開設課程,每年約650名學生,年均授課20個班,教學效果優秀。工程流體力學課程是研究流體之間能量相互轉換規律的一門學科,課程定位于基礎科學理論與工程實際之間的橋梁,着重培養學生應用基礎知識。

納維-斯托克斯方程由一些微分方程組成,通常隻有通過一些邊界條件或者通過數值計算的方式才可以求解。它包含速度v=(u,v,w),壓強,密度,粘度溫度等變量,而這些都是位置(x,y,z) 和時間t的函數。通過質量守恒、能量守恒和動量守恒,以及熱力學方程 f(ρ,P,T)和介質的材料性質我們可以确定這些變量。

流體力學中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要基礎是牛頓運動定律和質量守恒定律,常常還要用到熱力學知識,有時還用到宏觀電動力學的基本定律、本構方程和高等數學、物理學、化學的基礎知識。

1738年伯努利出版他的專着時,首先采用了水動力學這個名詞并作為書名;1880年前後出現了空氣動力學這個名詞;1935年以後,人們概括了這兩方面的知識,建立了統一的體系,統稱為流體力學。

研究方法

實驗研究

流體力學作為一門學科,在其曆史發展過程中産生并不斷完善了一些解決問題的方法,如試驗研究、理論分析和數值計算。

實驗研究包括現場觀測和實驗室模型兩個方面。

對自然界固有的流動現象或實際工程中的流動現象,利用各種儀器進行系統觀測,從而總結出立體運動的規律,并借以預測流動現象的演變。不過現場流動現象往往不能控制,發生條件幾乎不易完全重複出現,影響到對流動現象的研究。又加上現場觀測揮動用一些人力、物力、财力,因此人們建立實驗室一是這些現象在可控制的時候出現,以便觀察研究。

模型實驗在流體力學中占有重要地位。這裡所說的模型是指根據理論指導,是把研究對象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實驗。有些流動現象難于靠理論計算解決,有的則不可能做原型實驗(成本太高或規模太大)。這時,根據模型實驗所得的數據可以用像換算單位制那樣的簡單算法求出原型的數據。

理論分析

理論分析是根據流體運動的普遍規律如質量守恒、動量守恒、能量守恒等,利用數學分析的手段,研究流體的運動,解釋已知的現象,預測可能發生的結果。理論分析的步驟大緻如下:

建立“力學模型”,即針對實際流體的力學問題,分析其中的各種矛盾并抓住主要方面,對問題進行簡化而建立反映問題本質的“力學模型”。流體力學中最常用的基本模型有:連續介質、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。

建立模型常用無限微元法和有限控制體法(平均值法)。

數值計算

針對流體運動的特點,用數學語言将質量守恒、動量守恒、能量守恒等定律表達出來,從而得到連續性方程、動量方程和能量方程。此外,還要加上某些聯系流動參量的關系式(例如狀态方程),或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。

求出方程組的解後,結合具體流動,解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要将這些理論結果同實驗結果進行比較,以确定所得解的準确程度和力學模型的适用範圍。

從基本概念到基本方程的一系列定量研究,都涉及到很深的數學問題,所以流體力學的發展是以數學的發展為前提。反過來,那些經過了實驗和工程實踐考驗過的流體力學理論,又檢驗和豐富了數學理論,它所提出的一些未解決的難題,也是進行數學研究、發展數學理論的好課題。

在流體力學理論中,用簡化流體物理性質的方法建立特定的流體的理論模型,用減少自變量和減少未知函數等方法來簡化數學問題,在一定的範圍是成功的,并解決了許多實際問題。

對于一個特定領域,考慮具體的物理性質和運動的具體環境後,抓住主要因素忽略次要因素進行抽象化也同時是簡化,建立特定的力學理論模型,便可以克服數學上的困難,進一步深入地研究流體的平衡和運動性質。

20世紀50年代開始,在設計攜帶人造衛星上天的火箭發動機時,配合實驗所做的理論研究,正是依靠一維定常流的引入和簡化,才能及時得到指導設計的流體力學結論。

此外,流體力學中還經常用各種小擾動的簡化,使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學是流體力學中采用小擾動方法而取得重大成就的最早學科。聲學中的所謂小擾動,就是指聲音在流體中傳播時,流體的狀态(壓力、密度、流體質點速度)同聲音未傳到時的差别很小。線性化水波理論、薄機翼理論等雖然由于簡化而有些粗略,但都是比較好地采用了小擾動方法的例子。

每種合理的簡化都有其力學成果,但也總有其局限性。例如,忽略了密度的變化就不能讨論聲音的傳播;忽略了粘性就不能讨論與它有關的阻力和某些其他效應。掌握合理的簡化方法,正确解釋簡化後得出的規律或結論,全面并充分認識簡化模型的适用範圍,正确估計它帶來的同實際的偏離,正是流體力學理論工作和實驗工作的精華。

流體力學的基本方程組非常複雜,在考慮粘性作用時更是如此,如果不靠計算機,就隻能對比較簡單的情形或簡化後的歐拉方程或N-S方程進行計算。20世紀30~40年代,對于複雜而又特别重要的流體力學問題,曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數值計算,比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。

數學的發展,計算機的不斷進步,以及流體力學各種計算方法的發明,使許多原來無法用理論分析求解的複雜流體力學問題有了求得數值解的可能性,這又促進了流體力學計算方法的發展,并形成了“計算流體力學”。

從20世紀60年代起,在飛行器和其他涉及流體運動的課題中,經常采用電子計算機做數值模拟,這可以和物理實驗相輔相成。數值模拟和實驗模拟相互配合,使科學技術的研究和工程設計的速度加快,并節省開支。

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