力学进展 课程论文.doc

力学进展 课程论文流体力学在现代科学发展中的地位姓名：许梦飞班级：理力06-1学号：310807050125学期：2009-2010-2流体力学在近代科学发展中的地位 1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。 流体力学主要是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。在近代科学的发展中，流体力学这门经典的力学课程占据了极其重要的地位，为其他相关学科的发展提供了理论基础。一流体力学在大气科学发展中的地位 流体力学是大气科学的重要理论基础之一。流体力学是经典力学里的一个重要的分支，是研究流体宏观运动规律的基础学科。随着科学技术的飞速发展，流体力学中已经出现许多新兴的分支科学。 流体即气体和液体的总称。地球上的大气和海洋是最常见的自然流体。把流体力学应用与气象科学，已经有近百年的历史。20世纪初有皮耶克尼斯（挪威、美国气象学家气象学挪威学派的主要成员，死于1951年4月9日）斜压环流定理作为先驱性的开拓工作，其后经历了1940年初大气长波理论（长波能量频散理论，大气动力学三个经典理论之一，由叶笃正博士提出）的问世及1950年以来流体力学方法的数值天气预报的重要发展阶段。流体力学已经从许多方面渗透到大气科学的各个领域。 流体的物理性质归结起来有以下几个方面：1.可压缩性（流体在外力作用下，其体积或者密度可以改变的性质）2.热膨胀性 3.流体的运输性（如流体的运输速度，会有动量输运，表现为黏性现象；温度不同，有能量的输运，表现为导热现象；密度不同，会有质量输运，表现为扩散现象）大气运动是最常见的一种流体运动，也是与我们的生活息息相关的。气候的变换，季节的更迭都与大气运动有着密不可分的关心。而流体力学是研究大气运动的一门重要的基础学科。 龙卷风是最常见的一种大气现象，也是威力巨大并能对人类造成巨大破坏的自然灾难。美国被称为龙卷风之乡，每年都会用1000到2000个龙卷风，而且强度大，每年都会用70人左右丧生在龙卷风之中。那么为什么美国会有这么多的龙卷风呢？这与美国的地理位置，气候条件以及大气环流特征有关。美国东濒大西洋，西靠太平洋，南面又有墨西哥湾，大量的水汽不断从东、西、南面流向美国大陆。水汽多，雷雨云就容易发生发展。当雷雨云发展到一定强度后，就会产生龙卷风。 美国主要处在中纬度，春夏季常受副热带高压控制，即使在秋冬季，也常受其边缘影响，副高的西部边缘，是气流辐合上升最剧烈之处，在副高南部和西部是偏东和东南气流最活跃的地方，它把大西洋和墨西哥湾的大量暖湿空气源源不断向美国大陆输送，这又是产生雷雨云的充分条件。雷雨云不断地强烈发展，龙卷风就伴随而来。从流体力学的观点来看，龙卷风的形成主要分为四个阶段：1大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。2 由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。3 随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，产生气旋的同样过程，形成龙卷核心。4 龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。 科学研究证明，液体流，气体流在聚合过程中，其能量会成倍级增长，并在一定条件下发生巨变，在新流体力学观念中，这种现象被称为流体聚合效应。在此基础之上，龙卷风为何会有如此巨大的威力也可以得到了科学合理的解释。 除此之外，沙尘暴形成的物理机制也是与流体力学理论有着密不可分的关系。沙尘暴的物理机制可以简单的概述为，在极有利的大尺度环境下，高空干冷急流和强垂直风速、风向切变及热力不稳定层结条件下，引起锋区附近中小尺度系统生成、发展，加剧了锋区前后的气压、温度梯度，形成了锋区前后的巨大压温梯度。在动量下传和梯度偏差风的共同作用下，使近地层风速陡升，掀起地表沙尘，形成沙尘暴或强沙尘暴天气。这样的理论基础科学的为我们解释了现实中的自然现象。而这些理论都是与流体力学有着密不可分的关系。二 流体力学与空气动力学 从1903年莱特兄弟的第一架飞机升上天空，距今已经有一个多世纪之久。从最早的滑翔机到如今的空中客车，他们的飞翔都离不开最原始的流体力学理论。两个重要的流体定理，连续性定理，伯努利定理为人类的飞翔之梦插上了翅膀。 连续性定理；当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时，由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来，因此在同一时间内，流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。这个定理阐述了。这个定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系。 伯努利定理；流体在一个管道中流动时，流速大的地方压力小，流速小的地方压力大。 伯努利定理主要阐述了流体在流动中流速和压力之间的关系。 飞机的升力绝大部分是由机翼产生，尾翼通常产生负升力，飞机其他部分产生的升力很小，一般不考虑。从上图我们可以看到：空气流到机翼前缘，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出，流管较细，说明流速加快，压力降低。而机翼下表面，气流受阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。 自从人类诞生以来，我们便在不停的追求速度的极限。F1赛车是现在最为成功也最体现人类科学发展一项运动。而空气动力学在这项运动中起着举足轻重的作用。 与飞机相反的是，F1赛车的巨大双翼是产生至关重要的下压力的，将车身压在车道上，从而使得轮胎获得更大的抓地力，在弯道时产生更大的加速度。在230公里时的状况下，F1赛车上方气流产生的下压力足以使它在隧道里沿着隧道的底部行走。但这也使得F1空气动力学家面临着一个重要的挑战；如何在产生下压力的同时不增加空气阻力。这样一个问题同样也离不开流体力学的理论基础，在此之中又离不开风洞，这一空气动力学中最常见，最有效的工具。（风洞：是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力试验最常用、最有效的工具）三 流体力学的其他应用 除了上述的两个方面以外，流体力学在船舶（如前面提到的流体聚合效应正是涡轮设计的理论基础）飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或气体的爆炸，以及天体物理的若干问题中都得到了广泛的应用。而在今后，人们一方面将根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性的研究，另一方面将更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理。后一方面主要包括：通过湍流的理论和实验研究，了解其结构并建立计算模式；多相流动；流体和结构物的相互作用；边界层流动和分离；生物地学和