什么是流體力學流體力學的研究方法
什么是流體力學流體力學的研究方法
流體力學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。那么你對流體力學了解多少呢?以下是由學習啦小編整理關(guān)于什么是流體力學的內(nèi)容，希望大家喜歡!
流體力學的理論基礎(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世紀末，雖然用分析法的流體動力學取得很大進展，但不易起到促進生產(chǎn)的作用。
與流體動力學平行發(fā)展的是水力學(見液體動力學)。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)驗公式來表達流動參量之間關(guān)系的經(jīng)驗科學。
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。普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學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)律并借以預測流動現(xiàn)象的演變。過去對天氣的觀測和預報，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。現(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)學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現(xiàn)象，預測可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下：
①建立“力學模型”
一般做法是：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(zhì)的“力學模型”。流體力學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。
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針對流體運動的特點，用數(shù)學語言將質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等定律表達出來，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，應給出邊界條件和初始條件。整個流動問題的數(shù)學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?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模型的原因之一。力學家經(jīng)過多年努力，創(chuàng)造出許多數(shù)學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，以確定所得解的準確程度和力學模型的適用范圍。
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雜流體力學問題有了求得數(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，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)以建立流動的力學模型和數(shù)學模式;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雜(例如湍流)，理論分析和數(shù)值計算會遇到巨大的數(shù)學和計算方面的困難，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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