什么是流體力學(xué)流體力學(xué)的研究方法
什么是流體力學(xué)流體力學(xué)的研究方法
流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實踐中逐步發(fā)展起來的。那么你對流體力學(xué)了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是流體力學(xué)的內(nèi)容，希望大家喜歡!
流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)
將粘性考慮在內(nèi)的流體運動方程則是法國C.-L.-M.-H. 納維于1821年和英國G. G. 斯托克斯于1845年分別建立的，后得名為納維-斯托克斯方程，它是流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。
由于納維-斯托克斯方程是一組非線性的偏微分方程，用分析方法來研究流體運動遇到很大困難。為了簡化方程，學(xué)者們采取了流體為不可壓縮和無粘性的假設(shè)，卻得到違背事實的達(dá)朗伯佯謬——物體在流體中運動時的阻力等于零。因此，到19世紀(jì)末，雖然用分析法的流體動力學(xué)取得很大進展，但不易起到促進生產(chǎn)的作用。
與流體動力學(xué)平行發(fā)展的是水力學(xué)(見液體動力學(xué))。這是為了滿足生產(chǎn)和工程上的需要，從大量實驗中總結(jié)出一些經(jīng)驗公式來表達(dá)流動參量之間關(guān)系的經(jīng)驗科學(xué)。
使上述兩種途徑得到統(tǒng)一的是邊界層理論。它是由德國L. 普朗特在1904年創(chuàng)立的。普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實際計算簡單情形下，邊界層內(nèi)流動狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應(yīng)用到飛機和汽輪機的設(shè)計中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。
流體力學(xué)的研究方法
可以分為現(xiàn)場觀測、實驗室模擬、理論分析、數(shù)值計算四個方面：
現(xiàn)場觀測
對自然界固有的流動現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動現(xiàn)象，利用各種儀器進行系統(tǒng)觀測，從而總結(jié)出流體運動的規(guī)律并借以預(yù)測流動現(xiàn)象的演變。過去對天氣的觀測和預(yù)報，基本上就是這樣進行的。但現(xiàn)場流動現(xiàn)象的發(fā)生不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復(fù)出現(xiàn)，影響到對流動現(xiàn)象和規(guī)律的研究;現(xiàn)場觀測還要花費大量物力、財力和人力。因此，人們建立實驗室，使這些現(xiàn)象能在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。
實驗室模擬
在實驗室內(nèi)，流動現(xiàn)象可以在短得多的時間內(nèi)和小得多的空間中多次重復(fù)出現(xiàn)，可以對多種參量進行隔離并系統(tǒng)地改變實驗參量。在實驗室內(nèi)，人們也可以造成自然界很少遇到的特殊情況(如高溫、高壓)，可以使原來無法看到的現(xiàn)象顯示出來?，F(xiàn)場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現(xiàn)的事物、沒有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設(shè)計的工程、機械等)進行觀察，使之得到改進。因此，實驗室模擬是研究流體力學(xué)的重要方法。但是，要使實驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測結(jié)果相符，必須使流動相似條件(見相似律)完全得到滿足。不過對縮尺模型來說，某些相似準(zhǔn)數(shù)如雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)不易同時滿足，某些工程問題的大雷諾數(shù)也難以達(dá)到。所以在實驗室中，通常是針對具體問題，盡量滿足某些主要相似條件和參數(shù)，然后通過現(xiàn)場觀測驗證或校正實驗結(jié)果。
理論分析
根據(jù)流體運動的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下：
①建立“力學(xué)模型”
一般做法是：針對實際流體的力學(xué)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(zhì)的“力學(xué)模型”。流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)(見連續(xù)介質(zhì)假設(shè))、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體(見粘性流體)、平面流動等。
②建立控制方程
針對流體運動的特點，用數(shù)學(xué)語言將質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等定律表達(dá)出來，從而得到連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動參量的關(guān)系式(例如狀態(tài)方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。流體運動在空間和時間上常有一定的限制，因此，應(yīng)給出邊界條件和初始條件。整個流動問題的數(shù)學(xué)模式就是建立起封閉的、流動參量必須滿足的方程組，并給出恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和初始條件。
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在給定的邊界條件和初始條件下，利用數(shù)學(xué)方法，求方程組的解。由于這方程組是非線性的偏微分方程組，難以求得解析解，必須加以簡化，這就是前面所說的建立力學(xué)模型的原因之一。力學(xué)家經(jīng)過多年努力，創(chuàng)造出許多數(shù)學(xué)方法或技巧來解這些方程組(主要是簡化了的方程組)，得到一些解析解。
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求出方程組的解后，結(jié)合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結(jié)果同實驗結(jié)果進行比較，以確定所得解的準(zhǔn)確程度和力學(xué)模型的適用范圍。
數(shù)值計算
前面提到的采用簡化模型后的方程組或封閉的流體力學(xué)基本方程組用數(shù)值方法求解。電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，使許多原來無法用理論分析求解的復(fù)雜流體力學(xué)問題有了求得數(shù)值解的可能性。數(shù)值方法可以部分或完全代替某些實驗，節(jié)省實驗費用。數(shù)值計算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。
四種研究方法之間的關(guān)系：
解決流體力學(xué)問題時，現(xiàn)場觀測、實驗室模擬、理論分析和數(shù)值計算幾方面是相輔相成的。實驗需要理論指導(dǎo)，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結(jié)論。反之，理論分析和數(shù)值計算也要依靠現(xiàn)場觀測和實驗室模擬給出物理圖案或數(shù)據(jù)以建立流動的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模式;最后，還須依靠實驗來檢驗這些模型和模式的完善程度。此外，實際流動往往異常復(fù)雜(例如湍流)，理論分析和數(shù)值計算會遇到巨大的數(shù)學(xué)和計算方面的困難，得不到具體結(jié)果，只能通過現(xiàn)場觀測和實驗室模擬進行研究。
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