流体力学概述.
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管道流体力学基础概述管道流体力学是研究液体、气体在管道中流动的科学。
它是流体力学的一个重要分支,广泛应用于工程领域,如石油、天然气、化工等行业。
本文将对管道流体力学的基础概念、流量计算、阻力损失以及流体力学分析方法进行概述。
1. 管道流体力学基础概念管道流体力学基础概念包括管道、流体、流速、流量以及压力等。
管道是一种用于输送流体的设备,常见的有圆管、方管等。
流体可以是液体或气体,其在管道中具有流动性质。
流速是单位时间内通过某一横截面的流体体积,常用m/s来表示。
流量则是单位时间内通过某一截面的流体总体积,常用m³/s来表示。
压力是流体对管道壁的作用力,常用Pascal(Pa)来表示。
2. 管道流量计算管道流量计算是管道流体力学中的重要内容,常用的方法有理论计算和实验测试两种。
理论计算方法主要基于流体在管道中的动量守恒和质量守恒原理,并借助流体力学方程进行推导和计算。
实验测试方法则通过使用流量计等仪器设备,测量流体的流速或压力来间接计算流量。
3. 管道阻力损失管道中的流体流动会受到管道壁面的摩擦力而产生阻力,从而导致管道阻力损失。
管道阻力损失是管道流体力学研究的一个重要问题。
根据流体流动状态和管道几何形状的不同,几种常见的阻力损失计算公式被广泛应用于实际工程中,如达西公式、普朗特公式等。
4. 流体力学分析方法流体力学分析方法是研究管道流体力学的重要手段,包括数值模拟和实验测试两种方法。
数值模拟方法利用计算机模拟流体在管道中的运动过程,通过求解数学方程得到流场变量的分布和变化规律。
实验测试方法则通过搭建实验台架或现场测试装置,采集流体流动过程中的各种参数,并进行数据分析和处理。
总结:管道流体力学是研究液体、气体在管道中流动的科学,它具有广泛的工程应用价值。
本文对管道流体力学的基础概念、流量计算、阻力损失以及流体力学分析方法进行了概述。
通过深入了解管道流体力学的基础知识和方法,能够更好地应用于实际工程中,提高管道系统的安全性和效率。
流体力学知识点范文流体力学是研究流体静力学和流体动力学的一个学科,涉及到流体的运动、力学性质以及相关实验和数值模拟方法。
流体力学的应用广泛,包括气象学、海洋学、土木工程、航空航天工程等领域。
以下是流体力学的一些重要知识点。
1.流体的性质流体是一种能够自由流动的物质,包括气体和液体。
与固体不同,流体具有可塑性、可挤压性和物质变形后恢复自然形状的性质。
流体的密度、压力、体积、温度和粘度是流体性质的基本参数。
2.流体的运动描述流体的运动包括膨胀、收缩、旋转和流动等。
为了描述流体的运动,需要引入一些描述流体运动的物理量,如速度、流速、加速度和流量。
流体的速度矢量表示流体粒子的运动方向和速度大小。
3.流体静力学流体静力学研究的是在静压力的作用下,流体内各点之间的静力平衡关系。
流体的静力压力与深度成正比,由于流体的可塑性,静压力会均匀传输到容器中的各个部分。
流体静力学应用于液压系统、液态储存设备和液压机械等领域。
4.流体动力学流体动力学研究的是流体在外力作用下的运动行为。
流体动力学分为流体动力学和流体动量守恒两个方面。
流体动力学研究的是流体的速度和加速度,以及流体流动的力学性质。
流体动量守恒研究的是流体在内外力作用下动量的转移和守恒。
流体动力学应用于气象学、水力学、航空航天工程等领域。
5.流体的流动方程流体力学的基本方程是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程描述了流体的质量守恒原理,即质量在流体中是守恒的。
动量守恒方程描述了流体的动量守恒原理,即外力对流体的动量变化率等于流体的加速度乘以单位质量的流体体积。
能量守恒方程描述了流体的能量守恒原理,即流体在流动过程中能量的转化和传输。
6.流体力学问题的数值模拟由于流体力学问题具有复杂性和非线性性,很多问题难以通过解析方法得到解析解。
因此,数值模拟成为解决流体力学问题的一种重要方法。
数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和有限体积法等。
这些方法通过将流体力学问题离散化为一组代数方程来进行数值求解。
流体力学简介及其应用领域流体力学是研究流体在各种情况下的力学性质的学科。
流体力学的研究对象是流体,即液体和气体。
本文将介绍流体力学的基本概念和原理,以及它在各个领域中的应用。
一、流体力学概述流体力学是研究流体在力学作用下的运动规律和力学性质的学科。
流体力学基于质点力学的基本原理,结合了质点力学和连续介质力学的概念和方法进行研究。
它主要包含两个方面的内容:流体静力学和流体动力学。
1. 流体静力学流体静力学是研究静止的流体的力学性质和平衡条件的学科。
静止的流体受重力的作用下,压力在不同位置上会有不同的分布。
通过应用压力梯度的概念和压强的定义,可以得到流体静力学的基本方程。
2. 流体动力学流体动力学是研究流体在外力作用下的运动规律和力学性质的学科。
流体动力学研究的是流体的流动状态,包括速度场、压力场等各个方面的特性。
通过应用质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本原理,可以得到流体动力学的基本方程,如连续方程、动量方程和能量方程。
二、流体力学的应用领域流体力学的理论和方法广泛应用于各个领域,涵盖了自然科学、工程技术和生物医学等多个领域。
以下将介绍一些典型的应用领域。
1. 工程力学流体力学在工程力学中的应用非常广泛。
例如,水利工程中的水流运动、水力发电和水污染控制等问题,以及空气动力学、飞行器的设计与优化等问题,都离不开流体力学的理论和方法。
2. 汽车工程在汽车工程中,流体力学被广泛应用于汽车空气动力学和燃烧过程等方面的研究。
通过流体力学的理论和模拟方法,可以对汽车的空气动力学特性进行研究和优化,提高汽车的性能和燃油利用率。
3. 航空航天工程流体力学在航空航天工程中的应用也非常重要。
例如,飞行器的气动外形设计、空气动力学特性的研究、喷气发动机的燃烧过程等问题,都需要运用流体力学的理论和方法进行分析和研究。
4. 生物医学生物医学领域中的许多问题也涉及到流体力学的研究。
例如,血液在血管中的流动、气体交换和呼吸过程等问题,都可以通过流体力学的分析和计算方法进行研究和模拟,对疾病的诊断和治疗有一定的指导意义。
机械工程的流体力学资料机械工程领域中的流体力学是研究液体和气体在力的作用下的运动规律的科学。
流体力学广泛应用于诸多领域,如航空、汽车、能源、制造等,对于工程师来说,掌握流体力学的基本原理和应用是至关重要的。
一、流体力学概述流体力学是物理学和工程学的跨学科领域,研究液体和气体在力的作用下的运动行为。
其基本原理包括连续性方程、动量方程和能量方程。
连续性方程描述了流体的质量守恒,动量方程描述了流体的动量守恒,能量方程描述了流体的能量守恒。
二、流体的性质流体的性质主要包括密度、粘度、表面张力等。
密度是流体单位体积的质量,粘度是流体抵抗剪切变形的能力,表面张力则是液体分子间作用力导致液体表面的紧张状态。
三、流体静力学流体静力学研究流体处于静止状态下的力学性质。
基本原理是荷载平衡和流体压力的传递。
流体静力学应用于设计水箱、油箱、水压系统等。
四、流体动力学流体动力学研究流体在运动中的力学性质。
流体动力学中,主要考虑了速度场、压力场以及流体的流速、流量等参数。
应用于设计飞机翼型、汽车外形等。
五、流体力学应用1. 空气动力学:空气动力学是流体力学在航空领域的应用,研究空气与飞行器表面之间的相互作用,常见应用包括设计飞机翼型、减阻设计等。
2. 水力学:水力学是流体力学在水利工程中的应用,研究水流、河流、湖泊等水体的运动规律,应用于水力发电、水资源管理等。
3. 燃气动力学:燃气动力学是流体力学在燃气轮机等动力系统中的应用,研究燃气的流动行为和动力学性能,应用于设计燃气轮机、燃气管道等。
4. 流体力学模拟:借助计算流体力学(CFD)等数值模拟方法,可以对流体力学问题进行模拟和分析,提供工程设计和优化方案。
六、流体力学的挑战与发展随着科学技术的不断进步,流体力学领域也面临一些挑战。
其中包括多相流动、湍流、非线性等问题的研究,以及流体力学在微尺度和宏尺度上的应用。
总结:流体力学作为机械工程领域的重要知识,对于工程师来说是必备的。
流体力学在泵的设计中的应用一、引言在现代工业生产中,泵作为一种用来输送流体的机械装置,在各个行业中起着至关重要的作用。
流体力学作为一门研究流体运动规律与现象的学科,为泵的设计提供了宝贵的理论支持。
本文将深入探讨流体力学在泵的设计中的应用,通过解析流体力学原理以及相关的数学模型,来阐述其在泵的设计过程中的重要性与实际应用。
二、流体力学基础1. 流体力学概述流体力学是研究流体在静止和运动条件下的力学规律的学科。
它主要包括流体静力学和流体动力学两个方面。
流体静力学研究静止流体的力学性质,而流体动力学研究流体的运动规律。
2. 流体力学原理流体力学的核心原理包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。
质量守恒定律即质量在流体运动中守恒;动量守恒定律即动量在流体运动中守恒;能量守恒定律即能量在流体运动中守恒。
三、1. 流体力学分析在泵的设计过程中,流体力学分析是必不可少的环节。
通过应用质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,可以确定泵的工作原理、流量、压力等关键参数。
这些参数的合理选择和优化,对于泵的性能和效率具有重要影响。
2. 流动分析流体力学中的流动分析对于泵的设计和优化至关重要。
在泵的工作过程中,流体的流动速度、流线和涡旋的形成等现象对于泵的性能具有决定性作用。
通过流动分析,可以确定流体在泵内的运动规律,从而优化泵的内部结构和流道设计,提高泵的效率和稳定性。
3. 叶轮设计叶轮作为泵的核心部件,其设计与流体力学密切相关。
通过流体力学原理和数学模型,可以确定叶轮叶片的形状、数量、角度等关键参数,以实现最佳的能量转换和流体输送效果。
优化的叶轮设计能够提高泵的效率、降低能耗,同时减少涡流损失和振动噪音。
4. 液力学分析液力学是流体力学与机械工程相结合的学科,研究液体流体在流动过程中与固体表面的相互作用。
在泵的设计中,液力学分析主要针对泵的叶轮、导叶等部件与流体之间的相互作用进行研究,评估流体对泵的动力与负载的传递方式,以及泵的密封和泄露等问题。
流体力学基础知识概述流体力学是研究流体运动及其力学性质的学科领域,它对于了解和分析自然界中的流体现象、工程设计和科学研究都具有重要的意义。
本文将对流体力学的基础知识进行概述,帮助读者对该领域有一个全面的了解。
一、流体的特性流体是一种连续变形的物质,其特性包括两个基本的属性:质量和体积。
质量是指流体的总重量,而体积则表示流体占据的空间。
流体还具有可压缩性和不可压缩性之分,可压缩流体如气体在受力时体积可变,不可压缩流体如液体则在受力时体积基本保持不变。
二、流体的力学性质1. 流体的静力学性质:静力学研究的是流体在静态平衡下的性质。
静力学方程描述了流体静力平衡的条件,在不同的情况下有不同的方程形式。
例如,对于不可压缩流体,静力平衡方程可以表示为斯托克斯定律。
2. 流体的动力学性质:动力学研究的是流体在运动状态下的性质。
根据流体的性质和流动条件,可以使用纳维-斯托克斯方程或欧拉方程来描述流体运动。
这些方程可以通过流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒得到。
三、流体的流动类型根据流体的运动方式,流体力学将流动分为两种基本类型:层流和湍流。
层流是指流体以有序、平稳的方式流动,流线相互平行且不交叉;而湍流则是流体运动不规则、混乱的状态,流线交叉、旋转和变化。
层流和湍流的转变由雷诺数决定,雷诺数越大,流动越容易变为湍流。
雷诺数是流体力学中一个无量纲的参数,通过流体的密度、速度和长度等特性计算而来。
四、流体的流速分布流体在管道或河流等容器中的流速分布可以通过速度剖面来描述,速度剖面是指流体速度随离开管道中心轴距离的变化关系。
一般情况下,流体在靠近管道壁面处速度较小,在中心位置处速度较大。
速度剖面可用来研究流体流动的特性,例如通过计算剖面的斜率可以确定流体的平均速度。
此外,流体的速度分布还受到管道壁面的摩擦力和流体性质的影响。
五、流体的流量计算流量是指单位时间内通过某一横截面的流体体积,计算流体流量是流体力学中的一项重要任务。
第一章流体流动§1.1.1、概述1、流体—液体和气体的总称。
流体具有三个特点①流动性,即抗剪抗张能力都很小。
②无固定形状,随容器的形状而变化。
③在外力作用下流体内部发生相对运动。
2、流体质点:含有大量分子的流体微团。
流体分子自由程<流体质点尺寸<设备大小,流体质点成为研究流体宏观运动规律的考察对象。
3、流体连续性假设:假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙,完全充满所占空间的连续介质。
连续性假设的目的是为了摆脱复杂的分子运动,而从宏观的角度来研究流体的流动规律,这时,流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布,从而可用连续函数的数学工具加以描述。
流体流动规律是本门课程的重要基础,这是因为:①流体的输送研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。
②压强、流速及流量的测量为了了解和控制生产过程,需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量,这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。
③为强化设备提供适宜的流动条件化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的。
设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系。
因此,研究流体流动对寻找设备的强化途径具有重要意义。
本章将着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律,并运用这些原理及规律来分析和计算流体的输送问题。
第二节流体静力学方程流体静力学是研究流体在外力作用下处于平衡的规律。
本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。
§1.2.1流体的密度和比容1、流体的密度:单位体积的流体所具有的质量。
/m V ρ=∆∆当V ∆趋近于零时,/m V ∆∆的极限值为流体内部某点的密度,可以写成:0limV mVρ∆→∆=∆各种流体的密度可以从物理化学手册和有关资料中查得。
气体具有可压缩性及膨胀性,故其密度随温度及压强而变化,因此对气体密度必须标出其所处的状态。
从手册中查出的气体密度是某指定状态下的数值 ,应用时一定要换算到操作条件下的数值。
流体力学的定义-概述说明以及解释1.引言1.1 概述流体力学是研究流体在静止和运动状态下的力学性质与行为的科学。
流体可以是液体或气体,在自然界和工程领域中都广泛存在并发挥着重要作用。
流体力学作为物理学、工程学和地球科学的重要分支,涉及到许多重要的理论和实际问题,如流体的流动规律、密度、压力、速度、黏性、湍流等。
本文将对流体力学的起源与发展、流体的性质与特点,以及流体力学在工程中的应用进行介绍和探讨,旨在深入理解和掌握这一领域的基本知识与应用技术,提高读者对流体力学的认识和理解。
1.2 文章结构文章结构部分的内容:本文将首先介绍流体力学的起源与发展,包括历史背景和相关理论的演进,以及流体力学的基本概念和原理。
然后将详细探讨流体的性质与特点,包括流体的基本性质、流体的运动规律以及流体在不同条件下的行为特点。
接下来将重点关注流体力学在工程中的应用,包括流体力学在航空航天、水利水电、环境工程等领域的具体应用案例和实践经验。
最后将对流体力学的重要性进行总结,并展望流体力学在未来的发展趋势,为读者提供对流体力学的全面了解和启发。
1.3 目的本文旨在深入探讨流体力学的定义及其在工程和科学领域中的重要性。
通过对流体力学起源与发展、流体的性质与特点以及工程中的应用进行全面的介绍和分析,以期能够使读者对流体力学有更加深入的了解和认识。
同时,通过对流体力学未来发展的展望,可以为相关领域的研究和应用提供一定的参考和启发。
总之,本文旨在为读者提供有关流体力学的全面知识,以及对其未来发展的展望和思考。
2.正文2.1 流体力学的起源与发展流体力学作为研究流体运动和力学性质的学科,其起源可以追溯至古希腊时期的阿基米德。
阿基米德在其著名的《浮体定律》中首次系统地探讨了流体的性质和行为规律。
随着科学技术的发展,流体力学逐渐成为一个独立的学科领域,并在各个领域广泛应用。
流体力学的发展经历了漫长的历史过程。
17世纪,伽利略和托马斯·亚当斯等学者开始对流体的运动和性质进行研究,建立了一些基本的流体力学理论。
流体力学基础知识汇总流体力学是研究流体静力学和流体动力学的学科。
流体力学是物理学领域中的一个重要分支,广泛应用于工程学、地球科学、生物学等领域。
本文将从流体力学的基础知识出发,概述流体力学的相关内容。
一、流体静力学流体静力学研究的是静止的流体以及受力平衡的流体。
静止的流体不受外力作用时,其内部各点的压力相等。
根据帕斯卡定律,压强在静止的流体中均匀分布。
流体静力学的重要概念包括压强、压力、密度等。
压强是单位面积上受到的力的大小,而压力是单位面积上受到的力的大小和方向。
密度是单位体积内质量的多少,与流体的压力和温度有关。
二、流体动力学流体动力学研究的是流体在受力作用下的运动规律。
流体动力学的重要概念包括流速、流量、雷诺数等。
流速是单位时间内流体通过某一截面的体积。
流速与流量之间存在着直接的关系,流量等于流速乘以截面积。
雷诺数是描述流体流动状态的无量纲参数,用于判断流体流动的稳定性和不稳定性。
三、伯努利定律伯努利定律是流体力学中的一个重要定律,描述了流体在沿流线方向上的压力、速度和高度之间的关系。
根据伯努利定律,当流体在流动过程中速度增加时,压力会降低;当流体在流动过程中速度减小时,压力会增加。
伯努利定律在飞行、航海、液压等领域有着重要的应用。
四、黏性流体黏性流体是指在流动过程中会发生内部层滑动的流体。
黏性流体的流动过程受到黏性力的影响,黏性力会导致流体的内部发生剪切变形。
黏性流体的流动规律可以通过纳维-斯托克斯方程来描述。
黏性流体在润滑、液体运输、地质勘探等领域有着广泛的应用。
五、边界层边界层是指在流体与固体表面接触的区域,流体的速度在边界层内逐渐从0增加到与远离表面的流体速度相等。
边界层的存在会导致流体的阻力增加。
研究边界层的特性可以帮助理解流体与固体的相互作用,对于设计高效的流体系统具有重要意义。
流体力学是研究流体静力学和流体动力学的学科。
流体力学的基础知识包括流体静力学、流体动力学、伯努利定律、黏性流体和边界层等内容。
流体力学基础概念与定义流体力学是研究流体运动及其相关现象的科学领域,是力学的一个分支学科。
它以流体力学基础概念与定义为研究对象,包括流体、流速、密度、压力、流量等方面。
本文将重点介绍流体力学的基础概念与定义,以帮助读者更好地理解和应用流体力学知识。
第一部分:流体力学概述一、流体的定义流体是指能够流动的物质,包括液体和气体。
与固体相比,流体的分子之间的相互作用较弱,容易发生流动。
二、流体运动的描述流体运动包括径流和湍流,径流是指流体在光滑表面上的顺畅流动,湍流是指流体在粗糙表面上的混沌不规则流动。
三、重要性及应用领域流体力学在众多领域中都具有广泛的应用,例如工程领域的水力学、气动学、船舶设计等,医学领域的血液循环学等。
第二部分:流体力学基本量和概念一、流速流速是指单位时间内流体通过某一横截面积的体积。
它可以用于描述流体运动的快慢。
二、密度密度是指单位体积内流体所含的质量。
它与流体的压力和温度有关,可以用于描述流体的致密程度。
三、压力压力是指单位面积上施加的力。
流体中的压力可以通过定义流体的垂直压强来表示,是流体力学中的重要概念。
四、流量流量是指单位时间内通过某一横截面积的流体体积。
它可以用于描述流体运动的量。
第三部分:流体力学方程一、连续性方程连续性方程描述了流体在流动过程中质量守恒的原理,即在稳态条件下,流体在任何两个截面的流量相等。
二、动量方程动量方程描述了流体运动中的力学变化,它可以通过流体中的压力和流速的关系来表达。
三、能量方程能量方程描述了流体运动中能量守恒的原理,考虑了流体在运动中与外界的能量交换。
第四部分:流体力学的应用实例一、水流的行为通过分析水流的流速、流量和压力变化,可以更好地了解水力学,应用于水坝设计、水源利用等领域。
二、空气动力学空气动力学研究空气在运动中的力学行为,可以应用于飞机设计、汽车流体力学等领域。
三、血液循环学血液循环学研究血液在人体中的流动和压力变化,对于心血管疾病的治疗和预防具有重要意义。
流体力学及其应用论文流体力学的概念:流体力学,是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。
主要研究在各种力的作用下,流体本身的状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。
流体力学是连续介质力学的一门分支,是研究流体(包含气体及液体)现象以及相关力学行为的科学。
可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学,还可按应用范围分为水力学,空气动力学等等。
流体力学的概述:空气的流动在日常生活中是看不见的,但低速气流的流动却与水流有较大的相似性。
日常的生活经验告诉我们,当水流以一个相对稳定的流量流过河床时,在河面较宽的地方流速慢,在河面较窄的地方流速快。
流过机翼的气流与河床中的流水类似,由于机翼一般是不对称的,上表面比较凸,而下表面比较平,流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水,流速较快,而流过机翼下表面的气流正好相反,类似于较宽地方的流水,流速较上表面的气流慢。
根据流体力学的基本原理,流动慢的大气压强较大,而流动快的大气压强较小,这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高,换一句话说,就是大气施加与机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大,二者的压力差便形成了飞机的升力。
简单来说,飞机向前飞行得越快,机翼产生的气动升力也就越大。
当升力大于重力时,飞机就可以向上爬升;当升力小于重力时,飞机就可以降低高度。
流体力学的研究范围:流体是气体和液体的总称。
在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体,所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。
大气和水是最常见的两种流体,大气包围着整个地球,地球表面的70%是水面。
大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。
力学;从对不同“力学模型”的研究来分,则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。
流体力学科普-概述说明以及解释1.引言1.1 概述流体力学是研究流体运动规律和力学性质的学科,它是力学的一个重要分支领域。
流体是指具有固定体积但没有固定形状的物质,包括液体和气体。
流体力学的研究对象涉及液体和气体在各种条件下的运动、变形和力学行为。
在自然界和工业生产中,流体力学的应用无处不在。
无论是大自然中的气象气候、海洋流动,还是现代工业生产中的管道输送、风洞实验,都需要流体力学来分析和解决问题。
流体力学的应用领域包括但不限于航空航天、能源、环境工程、地下水流动、海洋工程、交通运输等。
本文将首先介绍流体力学的定义与基本原理,包括流体力学的基本假设和方程。
然后,我们将探讨流体的性质与特点,涉及到压力、密度、黏度等概念。
接下来,我们将详细介绍流体力学在不同领域的应用,包括航空航天、能源和环境工程等。
通过对这些实际应用案例的讨论,可以更好地理解流体力学的重要性和意义。
总的来说,通过对流体力学的认识和理解,可以帮助我们分析和解决各种与流体有关的问题。
流体力学在现代科学和工程技术中具有重要的地位和作用。
未来,随着科学技术的不断进步,流体力学将在更多领域展现其应用潜力,并为人类社会的发展做出更大的贡献。
因此,对未来流体力学发展的展望充满希望与期待。
1.2 文章结构本文旨在对流体力学进行科普介绍,文章主要分为三个部分:引言、正文和结论。
引言部分将对流体力学进行概述,介绍流体力学的基本概念以及其在日常生活和工程领域中的重要性。
同时,引言部分还会阐述本文的结构和目的,为读者提供一个整体的框架,以便更好地理解和吸收接下来的内容。
正文部分将详细讲解流体力学的定义与基本原理。
首先会介绍流体力学的起源和发展历程,包括早期的流体力学研究以及现代流体力学的主要发展方向。
然后将依次介绍流体的性质与特点,包括流体的运动规律、流体的压力和温度、流体的粘性等相关内容。
最后,正文部分将探讨流体力学的应用领域,包括航空航天、能源工程、环境科学等方面,以展示流体力学在实际工程中的重要性和广泛应用。
流体力学概述经管学院经济学系冷静054105风是怎样形成的,河水为什么有时和缓有时湍急,庞然大物的飞机是如何如飞鸟一样翱翔蓝天的……自然界中,生产、生活中,有很多看似简单,却不容易解释的现象。
其实他们中很多要应用流体力学的知识来解释。
而流体力学本身也是经过了漫长的发展、探索才形成了今天这样完善、严谨的体系。
流体力学是力学的一个重要分支,它主要研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用和流动的规律。
流体力学中研究得最多的流体是水和空气。
它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律,常常还要用到热力学知识,有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。
此外,在气象、水利的研究,船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行,可燃气体或炸药的爆炸,以及天体物理等许许多多的问题中,都会广泛地用到流体力学知识。
随着科学技术的飞速发展,许多现代科学技术所关注的问题都不可避免的要用到流体力学的知识,同时他们也促进了流体力学不断地发展。
一、流体力学的形成及简要发展过程任何一门学科的形成都包含了成千上万的科学家苦心钻研的成果,也包含了对以前成果的继承和创新。
回顾流体力学的漫长发展史,对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊伟大的数学家、物理学家阿基米德,他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,奠定了流体静力学的重要基础,流体力学的万丈高楼才得以在其基础上建立起来。
但另人扼腕的是,此后千余年间,流体力学没有重大发展和突破。
直到15世纪,我们熟知的在许多学科都颇有建树的意大利画家达·芬奇在其著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题;17世纪,帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
流体力学,尤其是流体动力学作为一门严密的科学,与力学的关系是密不可分的。
因此,它是随着经典力学建立了速度、加速度,力、流场等概念,以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才真正逐步形成的。
“17世纪,力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力,得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。
他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。
”[1]但是,牛顿并没有建立起流体动力学的理论基础,他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的别距。
之后,法国皮托发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作,证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系。
瑞士的欧拉采用了连续介质的概念,把静力学中压力的概念推广到运动流体中,建立了欧拉方程,正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动;“伯努利从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动,精心地安排了实验并加以分析,得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。
”[2]欧拉方程和伯努利方程的建立,是流体动力学作为一个分支学科建立的标志,从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。
从18世纪起,位势流理论有了很大进展,在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。
法国拉格朗日对于无旋运动,德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究。
在上述的研究中,流体的粘性并不起重要作用,即所考虑的是无粘流体,因此这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。
19世纪,资本主义世界的生产方式发生重大变革,工程师们为了解决许多工程问题,尤其是要解决带有粘性影响的问题,开始部分地运用流体力学,部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究,这就形成了水力学,至今它仍与流体力学并行地发展,这也是流体力学首次服务于现实生活。
1822年,纳维建立了粘性流体的基本运动方程;“1845年,斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程,并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。
这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程),它是流体动力学的理论基础。
”[3]上面说到的欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。
“普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化,从推理、数学论证和实验测量等各个角度,建立了边界层理论,能实际计算简单情形下,边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力”。
[4]同时普朗克又提出了许多新概念,并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。
这一理论既明确了理想流体的适用范围,又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。
使上述两种情况得到了统一。
20世纪初,飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。
航空事业的发展,期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题,这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。
20世纪初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家,开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论,阐明了机翼怎样会受到举力,从而空气能把很重的飞机托上天空。
机翼理论的正确性,使人们重新认识无粘流体的理论,肯定了它指导工程设计的重大意义。
机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展,它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。
随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上,又迅速扩展了从19世纪就开始的,对空气密度变化效应的实验和理论研究,为高速飞行提供了理论指导。
20世纪40年代以后,由于喷气推进和火箭技术的应用,飞行器速度超过声速,进而实现了航天飞行,使气体高速流动的研究进展迅速,形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科,流体力学体系日益发展壮大,取得了许多成就。
以这些理论为基础,20世纪40年代,关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论,为研究原子弹、炸药等起爆后,激波在空气或水中的传播,发展了爆炸波理论。
此后,流体力学又发展了许多分支,如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相流等等。
这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。
从50年代起,电子计算机不断完善,使原来用分析方法难以进行研究的课题,可以用数值计算方法来进行,出现了计算流体力学这一新的分支学科。
与此同时,由于民用和军用生产的需要,液体动力学等学科也有很大进展。
20世纪60年代,根据结构力学和固体力学的需要,出现了计算弹性力学问题的有限元法。
经过十多年的发展,有限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用,尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中,优越性更加显著。
近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题,也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。
从20世纪60年代起,流体力学开始了流体力学和其他学科的互相交叉渗透,形成新的交叉学科或边缘学科,如物理-化学流体动力学、磁流体力学等;原来基本上只是定性地描述的问题,逐步得到定量的研究,最典型的一个例子就是生物流变学。
二、流体力学的研究内容流体力学既含有基础理论,又有极广泛的应用范围。
从研究对象划分,它主要有以下分支学科:“地球流体力学,研究大气、海水以及地球深处熔浆的运动;水力学和水动力学,研究水在海洋、江河、渠道、管道和水力机械中的运动,船舶运动和阻力,高速水流中的空化,等等;空气动力学,研究空气的特性(如粘性、压缩性、扩散和波动特性等),飞行器的气动力特性和气动加热现象,飞行器外形设计等;环境流体力学和工业流体力学,研究大气污染、建筑物的风载风振问题、风能利用、沙漠迁移、河流泥沙运动、液力和气力输送,等等;生物流体力学,研究人和其他生物体内的流体运动规律;其他还有渗流力学、磁流体力学、物理-化学流体力学、爆炸力学等。
”[5]如从流体作用力角度,则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学。
从对不同“力学模型”的研究来分,则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学、多相流体力学和非牛顿流体力学等。
三、流体力学的研究方法流体力学的研究方法主要可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面:“现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象,利用各种仪器进行系统观测,从而总结出流体运动的规律,并借以预测流动现象的演变。
”[6]不过现场流动现象的发生往往不能控制,发生条件几乎不可能完全重复出现,研究人员在其过程中比较被动,影响到对流动现象和规律的研究;现场观测由于条件所限,还要花费大量物力、财力和人力。
因此,人们建立实验室,使这些现象能在可以控制的条件下出现,以便于观察和研究。
模型实验在流体力学中占有重要地位。
模型是指根据理论指导,把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便能安排实验。
有些流动现象难于靠理论计算解决,有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。
这时,根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。
现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测,而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象进行观察,使之得到改进。
因此,实验室模拟是研究流体力学的重要方法。
理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等,利用数学分析的手段,研究流体的运动,解释已知的现象,预测可能发生的结果。
“数值计算则是利用电子计算机求解复杂的流体力学基本方程组,它可部分或全部代替某些实验,因此发展很快。
并且那些经过了实验和工程实践考验过的流体力学理论,又检验和丰富了数学理论,它所提出的一些未解决的难题,也是进行数学研究、发展数学理论的好课题。
在流体力学理论中,用简化流体物理性质的方法建立特定的流体的理论模型,用减少自变量和减少未知函数等方法来简化数学问题,在一定的范围是成功的,并解决了许多实际问题。
”[7]数学的发展,计算机的不断进步,以及流体力学各种计算方法的发明,使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性,这又促进了流体力学计算方法的发展,并形成了计算流体力学。
在解决流体力学问题时,现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。
实验需要理论指导,才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。
反之,理论分析和数值计算也要依靠现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据,以建立流动的力学模型和数学模式;最后,还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。
此外,实际流动往往异常复杂(例如湍流),理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难,得不到具体结果,只能通过现场观测和实验室模拟进行研究。
可见,科学研究是意见十分复杂、精密的工作,往往需要科研工作者付出常人难以想象的精力和汗水,但正是他们促进了科学的发展,促进了社会的进步。
参考文献:[1]景思睿, 张鸣远. 流体力学. 西安: 西安交大出版社, 2001[2]任玉新, 陈海昕. .计算流体力学. 清华大学出版社.2006[3]刘光宗《流体力学原理与分析方法》高等教育出版社1999[4]郭荣良郭清南祝世兴《流体力学及应用》机械工业出版社1996[5]李家春《自然、工业与流动》气象出版社2001[6]郭永怀陆士嘉《流体力学概论》科学出版社1986[7]戴世强、张文、冯秀芳《古今力学思想与方法》上海大学出版社2005。