流体力学分支及其概述.doc

0 流体力学分支及其概述流体力学分支及其概述 姓名 姓名 班级 硕班级 硕 5015 学号 学号 2015 12 20 1 目目录录 流体力学分支流体力学分支 2 地球流体力学地球流体力学 2 学科的形成 2 研究的地球流体运动类型 2 水水动动力学力学 4 研究内容 5 水动力学的应用 6 气气动动力学力学 7 内容介绍 7 渗流力学渗流力学 9 物理物理 化学流体化学流体动动力学力学 11 研究对象 11 研究内容 11 等离子体等离子体动动力学和力学和电电磁流体力学磁流体力学 12 环环境流体力学境流体力学 12 生物流生物流变变学学 12 2 流体力学分支流体力学分支 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 地球流体力学地球流体力学 流体力学的一个分支 研究地球以及其他星体上的自然界流体的宏观运动 着重探讨 其中大尺度运动的一般规律 它是 20 世纪 60 年代发展起来的一个新学科 geophysical fluid dynamics 按字义为 地球物理流体力学 由于考虑到地球和自然界还有包含化学反 应的许多流动过程也日渐成为这一学科的研究内容 故以译作地球流体力学为宜 另外 这个学科在国际上还有一些别的名称 其中一个比较流行的是 自然流体力学 natural fluid dynamics 学科的形成学科的形成 近百年来 人类对天气预报 航海和海洋资源开发的需要不断增长 大气 大尺度运动和海洋大尺度运动的研究得到了发展 逐渐形成了大气动力学和海 洋动力学 随着空间科学技术的发展 研究近地空间和其他星体的流体运动已 成为现实 而随着地质和地球物理学的发展 研究地幔运动也成为重要的课题 流体力学的一般原理虽然也适用于上述自然界流体运动 但像天气系统和大洋 环流等流体运动是由自然界中巨大的能源所推动 其时间尺度和空间尺度都比 气体动力学和水动力学 见液体动力学 等与生产技术有关的流体运动的尺度 要大得多 而引力 星体的自旋以及能量的交换和转移过程又在其中起着主要 作用 因而这些流动具有非常鲜明的特点和共同的基本规律 研究这些共同的 基本规律能使人类对大气或海洋等各种具体运动的特点和规律有深刻的认识 地球流体力学正是在这种背景下逐渐形成的 研究的地球流体运动类型 研究的地球流体运动类型 地球流体运动按空间尺度或性质可分为下列数种类型 重力 惯性波 行 星波 埃克曼流 大气和大洋环流 涡旋 重力波和对流等 后三者为一般流 3 体力学所共有 这里不单独解释 重力 惯性波 地球流体的一种基本运动形式 由重力和科里奥利力共 同作用所形成 相速 见波 远大于流速 若波长较短 则科里奥利力影响极 小 与通常分层流动中的重力波无异 若波长较长 特别是和地球 或别的行 星 同量级时 科里奥利力影响明显 则波的相速和结构都与重力波明显不同 行星波 地球的大气运动 海洋运动和其他行星大气大尺度运动的最明 显和最重要的形式 流场弯曲如波状 波长大都与行星半径同量级 在洋流中 波长较短 因而得名 又称罗斯比 阿尔文波或罗斯比波 行星波与大型天 气系统密切相关 又是大气环流或大洋环流的主要组成部分 故为大气动力学 海洋动力学和地球流体力学的主要研究对象 行星波的相速和流速同量级 涡 量远大于散度 故又称涡旋波 其产生机制是行星表面各处的科里奥利参数不 均匀 即行星大气涡量的地面法向分量存在梯度 从而使流体微团在运动过程 中改变其相对涡量 形成波动 事实上 若 0 和式 1 相应的线性方程 除有重力波解外 还有定常的涡旋场解 若 0 则涡旋场为非定常 成为 涡旋波 且忽略二维可压缩性 取二维散度为零 时 它也存在 能量来源于 流体运动自身的惯性 故又称为惯性波 埃克曼流 行星边界层内的流动 其主要特征是流体速度水平分量沿高 度呈螺线变化 称埃克曼螺线 这是由于层内流体速度因粘性力作用而减小 使科里奥利力与压强梯度 重力之间失去平衡的结果 埃克曼流常伴有铅直速 度 称埃克曼抽吸 影响行星边界层外的大尺度运动 大气环流 大气中各种大尺度运动的全体组成的具有最大空间尺度的运 动 已发现两种非常不同的大气环流型 a 罗斯比环流型 由明显的行星波组成的非轴对称的大气环流型 为纪 念阐明行星波的罗斯比而命名 地球大气环流即属此型 b 哈得莱环流型 大气环流表现为对星体自旋轴对称和准对称的大气环 流型 由 G 哈得莱首先阐明 故名 木星大气环流即属此型 大气环流型主要取决于星体自转角速度 以及星体大气受太阳辐射而造 成极地和赤道之间的温差 T 若大气加热呈轴对称分布而星体不自转 则热 量交换取纯对流形式 即热气反抗重力作用而上升 冷气下沉且从底层流向暖 4 区 此即纯哈得莱环流型 但若星体自转 则在科里奥利力作用下 大气运动 中沿子午圈的速度分量 v 产生沿纬圈上的速度分量 v 和 v 愈大 则 v 愈大 大到一定程度后 由这种轴对称运动所导致的热量沿子午圈的流量 过小 积集起来的热量由非轴对称的水平方向的运动来输送 形成明显的行星 波 大气环流变为罗斯比环流型 故当 和 T 为中等大小时 大气环流为 罗斯比环流型 但若 T 固定而 增到一定程度 或 固定而 T 增加过 大 则 v 过大 轴对称环流又占主要地位 转变为哈得莱环流型 人类经历 了两百多年的研究 特别是最近三十年通过旋转圆盘内流体运动的模拟实验以 及相应的理论分析才最后弄清上述机理 这对认识大气环流的本质有很重要的 意义 若大气环流为罗斯比环流型 则在一些纬度带内 暖气下沉 冷气上升 和哈得莱环流型的情况相反 这些地带的子午圈环流称为反哈得莱环流 地球 大气在中纬度地区即属此情况 大洋环流 地球上海洋中各种大尺度运动的全体组成的最大空间尺度的 运动 大洋环流和大气环流有许多共性 但海岸的几何约束对洋流有明显影响 使其具有特点 最简单的一种大洋环流模式是惯性洋流 在这种模式中 风应 力 科里奥利力和惯性力三者互相平衡 在开阔洋面上 洋流为风应力所驱动 然后受惯性力作用流向海岸地带 科里奥利力随纬度的变化使向西流动的洋流 加速 称西向强化现象 子午线走向的海岸的几何约束 使洋流转而流向高纬 地区并强化 北向强化现象 这是大西洋湾流和太平洋暖流 即黑潮 的显著 特点 地球流体运动也常按科里奥利力影响的程度分为准地转运动和非地转运动 两大类 准地转运动 满足 Ro 1 和 Ek 1 的运动 在这类运动中 重力 压强 梯度力和科里奥利力三者几乎平衡 且运动为准水平的 沿重力方向的速度分 量很小 大气和海洋环流 行星波以及大尺度涡旋属于准地转运动 是地球流 体大尺度运动的主要类型 非地转运动 除准地转运动外的地球流体运动 在这类运动中 重力 压强梯度力和科里奥利力三者不处于几乎平衡状态 在自由流体中 Ro 1 不 成立 重力 惯性波 重力波 对流 尺度较小的强涡旋和埃克曼流属于非地转 5 运动 水动力学水动力学 研究水及其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科 又称水动力学 液体动力学和气体动力学组成流体动力学 人类很早就开始研究水的静止和运 动的规律 这些规律也可适用于其他液体和低速运动的空气 20 世纪以来 随 着航空 航天 航海 水能 采油 医学等部门的发展 与流体动力学相结合 的边缘学科不断出现并充实了液体动力学的内容 液体动力学研究的方法有现 场观测 实验模拟 理论分析和数值计算 研究内容研究内容 液体运动受两个主要方面的影响 一是液体本身的特性 另一是约束液体 运动的边界特性 根据这些特性的改变 液体动力学的主要研究内容有 理想液体运动理想液体运动 可忽略粘性的液体称为理想液体 根据普朗特的边界层理 论 在边界层以外的区域中 粘性力可以不予考虑 因此理想液体的运动规律 在特定条件下仍可应用 在普朗特以前 在这一领域曾进行过很多研究 见有环 量的无旋运动 拉普拉斯无旋运动 液体的压缩性很小 只有在几种情况下 如管道中的水击 水中声波 激波传播等 才要考虑液体的可压缩性 粘性液体运动粘性液体运动 有些液体 如润滑油 的粘性很大 分析这些液体流动状 态时必须予以考虑 见润滑理论 斯托克斯流动 另外 分析船舶的摩擦阻力 边界层和波浪间的干扰 船舶和潜体的尾流等都必须考虑液体的粘性 空化空化 液体流经压力足够低的区域时 就会气化并在液体内部或液固交界 面上形成空泡 水中常含有直径从几十到几百微米的气泡 称为气核 有气核 存在才会发生空化 空泡的溃灭产生冲击 引起边壁材料的剥蚀和破坏 见空 蚀 多相流多相流 挟有固体颗粒 掺有气泡或兼有两者的液体流动称为多相流 最 常见的有河道中的含沙水流 见泥沙运动 其次是掺气水流和发生空化后带有 空泡的液体流动 见空泡流理论 气核能影响声波的传播 当水中所含的气核 与水的体积比大于 10 3 时 水中声速就会小于空气中的声速 纯水中的声速约为 空气声速的五倍 6 非牛顿流体流动非牛顿流体流动 有些液体 如含沙量高的水 的剪应力和剪切变形速率 不成线性关系 这些液体属于非牛顿流体 加入高分子聚合物的水也是非牛顿 流体 这种流体对在其中运动的物体的阻力低得多 见非牛顿流体力学 自由表面流动自由表面流动 液体流动的部分边界可以是液体和空气的分界面 沿这一 部分边界的压力接近常数 河道 渠道 海洋流动皆属于这一类型 称为无压 流 自由表面流动的范围很广 包括明槽流 河道非定常流 波浪运动等 见 液体自由表面波 由于造船工程 水利工程的需要 自由表面流动的研究工作 早已开始 海洋工程的发展 对这方面的研究又提出新的要求 见海洋结构物 水动力学 有时由于在液体流动区域中形成空腔而有局部和气体接触的自由表 面 如鱼雷 导弹在水中运动时引起空化而形成的空腔 从空中进入水中时带 入空气而形成的空腔 以及为了防止空蚀通入空气而形成的空腔等皆是 见空 化 出水 入水 压力流压力流 液体四周都受固体边壁约束的流动称为压力流 又称满管流 水 力机械和船舶螺旋桨的旋转叶片间的流动也是压力流 早期为了计算供水系统 的流量分配而开始研究管流的特性 压力管道常和水力机械相连 因而出现弹 性振动和水击问题 两层或多层密度不相同的液体可以形成分层流 密度差可 以是由于液体不同 如水和石油 所引起 也可以是由于含盐 含沙量不同 或 温度不同所引起 在石油开采 海水浸入 潜艇航行 水库排沙 电站冷却水 的研究中 分层流是很重要的课题 见压力流 异重流 旋转流体和分层流体 流动 水弹性问题水弹性问题 液体流过固体边壁 在某些条件下可以引起边壁的振动 边 壁振动又反过来改变流动特性 研究液体 水和固体边壁相互作用的理论 称 为水弹性理论 水动力学的应用水动力学的应用 液体动力学是一门应用科学 所研究的课题皆来自生产实践 与工程技术 密切相关 主要应用领域如下 水利和水电工程水利和水电工程 是历史最久的工程科学之一 防洪工程中需要决定防洪 库容 泄洪容量 堤顶高程等数据 洪水预报需要知道洪水运行规律 工业发 展必须防止对河流的污染 这些问题都能从明槽水流的研究中得到解决 通过 7 高坝下泄的掺气水流具有很大的动能 会引起冲刷 多沙河流的河道 河口以 及水库的淤积 可能影响航道或使已建的工程丧失作用 这些问题可通过对泥 沙运动的研究获得解决办法 建造水力发电站和抽水工程时 需要研究水力机 械的出力 发生振动的条件 启闭过程中的特性变化 主要防止或减少空蚀破 坏 这些方面都是水动力学的研究内容 造船工程造船工程 由于造船技术的需要 古代已对船舶力学有一定的认识 船舶 匀速前进和加速前进所遇到的阻力以及航行时的安全性 始终是造船工程中最 重要的问题 长期以来研究的螺旋桨出力 兴波阻力 附连质量 适航性等都 是为了解决这些问题的 造船技术的革新 水翼船 气垫船的出现 见水翼 气垫 对水动力学提出更高的要求 在水中高速运行的水翼 鱼雷等产生的空 泡流 快艇 赛艇 水上飞机的浮舟在水面上的滑行 船舶 闸门 管道等弹 性体的振动 水面舰船 潜艇 鱼雷等所产生的水动力噪声等都是水动力学的 重要研究课题 近代武器近代武器 潜艇 鱼雷 反潜导弹等是和水动力学研究密切相关的武器 水下发射引起出水的研究 鱼雷 反潜导弹 航天飞船的仪器舱和座舱的入水 引起撞水和入水的研究 其他其他 机械工程中的润滑和液压传动 核电站工程中的水气二相流 海岸 工程中所关心的潮流 海上采油工程中所重视的波浪问题等 皆是液体动力学 的研究课题 气动力学气动力学 20 世纪初世界上第一架飞机出现以来 飞机和其他各种飞行器得到迅速发 展 20 世纪 50 年代开始的航天飞行使人类的活动范围扩展到其他星球和银河 系 航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科 空气动力学和气体 动力学的发展紧密相连的 这些学科是流体力学中最活跃 最富有成果的领域 内容介绍内容介绍 空气动力学在传统上研究气体的热力学状态和与海平面标准大气条件相差 不多的流动 这时气体的压力 温度和密度的关系遵循完全气体状态方程 气 8 体的其他性质如比热 粘性 导热率等都假定为常数 而在气动热力学中 它 们不再是常数 在许多情况下作为单一完全气体状态方程已不再适用 气体的 流动性质依赖于它的温度和成分 在分析高温或气体成分有变化的流动时 须 同时考虑热力和动力现象 气动热力学是发展中的边缘学科 它把空气动力学 与热力学 物理力学 化学动力学和电磁学结合起来 高速边界层的传热和传质高速边界层的传热和传质 高速运动的气流在边界层内被物体滞留 气体 动能转化为热能 被减速的部分气体温度剧增到远高于物面温度值 因而热量 传入物体 除气流速度外 气流成分和化学状态 物体的形状 材料和表面光 滑程度 边界层流态和质量传递都会影响边界层传热 一般来说 湍流热流比 层流热流大得多 粗糙表面的热流也比光滑表面大 再入大气层的飞行器表面 和火箭发动机内壁 常采用烧蚀或发汗冷却等防热方法 见烧蚀防热 在恶 劣天气条件下 再入弹头的天气侵蚀和固体火箭发动机喷管中流动 还涉及两 相流中复杂的传热传质问题 烧蚀与流场的耦合影响烧蚀与流场的耦合影响 烧蚀 侵蚀引起的外形变化和质量注入边界层 都 会影响再入弹头的气动性能 特别是由不对称端头外形产生的小的不对称气动力 和弹头加工造成的质量和惯量的不对称 合在一起可能导致弹头发生滚动共振 由于迎角剧增而毁坏 或发生滚速过零造成较大的落点散布 在确定烧蚀外形 时还需要考虑激波形状 压力分布 边界层转捩 表面粗糙度和质量注入等因 素 真实气体效应真实气体效应 在室温下气体分子只能进行平移和转动运动 随着温度增 加 开始出现振动 最后分子内部的约束被破坏而分解 而在更高的温度下将 出现电离现象 这些过程从发生到新的平衡以及组元之间的化学反应 都需要一 定的时间 称为松弛时间 根据气体运动的宏观特征时间与松弛时间之比的三种 情况 很大 接近于 1 和很小 可将流动分成平衡流动 非平衡流动和冻结流 动 对于冻结流动气体的特性与完全气体一样 非完全气体的状态参数可根据 物理力学进行计算 对于平衡状态的热力学参数 已有不少可用的气体热力性 质表 对于非平衡流动 必须计及全部可能的组元 因而与一切可能的化学过 程和起主导作用的反应速率有关 真实气体效应不仅对传热有显著的影响 而 且对于具有复杂外形的航天飞机的俯仰力矩也有明显的影响 另外 在高温运 行的风洞气流中 也常出现非平衡流动 9 电磁效应电磁效应 气体分子在高温下被电离成等离子体 在再入飞行器周围形成等 离子鞘套 当电磁波的频率小于等离子体频率时 电磁波被界面反射而不能穿过 从 而出现通信中断现象 称为黑障 已经证实 烧蚀产物将增加鞘套中的电子密 度 所以必须在气动外形和材料等方面采取有效的措施以降低电子密度 为了 有效地识别和跟踪再入飞行器 必须研究等离子鞘套和尾迹的电磁特性及其对 雷达波传播的影响 其中 要确定的最重要的参数是电子密度值和碰撞频率随 时间和向后距离的衰减速率 辐射效应辐射效应 进入其他行星大气层的飞行器的飞行速度很高 如木星探测器 的速度高达 48 公里 秒 因而在高温气体的传热中辐射传热成为主要的因素 其 他行星的大气组成与地球完全不同 如金星 火星的大气大部分都是二氧化碳 气体组成的变化对于对流传热的影响不大 但对辐射传热的影响却很大 辐射 性能的基本数据 已能在激波管实验的基础上根据分子和原子的光谱数据和物 理模型计算出来 然后再根据这些数据和气体的成分及状态参数估算出辐射传 热 发动机气动热力学发动机气动热力学 对于喷气发动机 气动热力学需要解决的问题是 由 高温气体分解而引起的进气道能量损失 高温叶栅绕流和对叶片的传热 燃料 和氧化剂的扩散和混合 具有复杂化学反应和高湍流度的燃烧火焰的稳定性 具有燃烧产物的高温高压气体在喷管中膨胀过程的效率 高温气体对喷管特别 是喉道附近的传热 渗流力学渗流力学 石油和天然气的开采 地下水的开发利用 要求人们了解流体在多孔或缝 隙介质中的运动 这是流体力学分支之一渗流力学研究的主要对象 渗流力学 还涉及土壤盐碱化的防治 化工中的浓缩 分离和多孔过滤 燃烧室的冷却等 技术问题 渗流力学当前比较成熟的内容有单相渗流理论 多相渗流理论 双重介质 渗流理论 渗流基本定律和多孔介质理论 单相渗流理论包括液体渗流理论 带自由面渗流理论 气体渗流理论 当具有不同物理性质的多种流体在多孔介 质内混流时 称为多相渗流 多相渗流理论与许多工程技术有密切关系 例如 油层内的流动大多是油 气 水多相渗流 非饱水土中的渗流是水和气的多相 10 渗流 在地热开发过程中也存在热水和气的多相渗流 迄今比较成熟的多相渗 流理论为混气液体渗流理论 二相液体渗流理论和非饱水土渗流理论 现就以 上内容分述于下 液体渗流理论液体渗流理论 研究承压条件下均质液体的渗流规律 见液体渗流 根据 是否考虑多孔介质和流体的弹性又分为弹性渗流和刚性渗流 早期的地下水和 石油开发工程以及水工建筑等工程都需要了解地下液体渗流规律和计算方法 刚性渗流理论因而得到发展 以后发现地层岩石和液体的弹性对流体运动和生 产状况产生不可忽视的影响 弹性渗流理论得到不断发展 带自由面渗流理论带自由面渗流理论 研究非承压条件下均质液体的渗流规律 当液体的最上 部不受隔水顶板的限制 存在一个其上任意一点的压强为大气压强的自由液面 时 多孔介质中的液体流动称带自由面渗流或无压渗流 含水层中的潜水向开 采井方向汇集 河道或水库里的水透过河堤或土坝向下游渗流以及石油在地层 中向生产井自由渗流等均属无压渗流 水文地质 水利工程和石油开采等生产 部门的需要 促使无压渗流理论不断发展 气体渗流理论气体渗流理论 研究气体在多孔介质中的流动规律 气体的组成可能是单一 的 也可能是组分恒定的多组分混合物 气体渗流理论的出现是由于天然气开 采等工程的需要 气体渗流具有压缩性特强 渗流定律非线性 渗流过程非等 温性以及存在滑脱效应等特点 是比较复杂的渗流问题 混气液体渗流理论混气液体渗流理论 研究相互掺混的液体与气体在多孔介质中的运动规律 见混气液体渗流 混气液的液体为连续相 气体为离散相 这一理论是低 于饱和压力下开发油田的理论基础 也是地下热能开发工业和与土壤水运动有 关的部门所需要的理论 二相液体渗流理沦二相液体渗流理沦 研究一相液体驱替另一相不同前者混溶的液体的流动规 律 见二相液体渗流 这一理论是天然水力驱动油田的开发工程和广泛应用 的人工注水开发油田技术的理论基础 非饱水土渗流理沦非饱水土渗流理沦 研究土壤孔隙未被水充满的条件下的流体运动规律 灌 溉排水条件下或作物根系吸水作用下的土壤水运动 入渗 蒸发和地下水位变 动条件下潜水面以上土层 包气带 内的水分运动均属非饱水土渗流 这一理 论是农田水利和水文地质等部门的一项理论基础 11 双重介质渗流理论双重介质渗流理论 研究流体在裂缝 孔隙介质中的运动规律 见双重介质 渗流 双重介质系由裂缝系统和岩块孔隙系统组成的特殊多孔介质 双重介 质渗流理论的建立主要是由于在世界范围内发现和开发一系列裂缝性油气田 它是这种类型的油田 天然气田和地下水层的储量计算和台理开发的理论基础 渗流基本定律渗流基本定律 描述流体在多孔介质内运动的基本规律 亦即渗流过程的宏 观统计规律 它是研究渗流力学的基础 在一定的雷诺数范围内 牛顿流体在 不可变形多孔介质内的运动遵循达西渗流定律 多孔介质理论多孔介质理论 渗流是多孔介质内的流体运动 研究渗流力学涉及的多孔介 质的物理 力学性质的理论就成为渗流力学的基本组成部分 多孔介质理论包 括多孔介质的孔隙率 润湿性 毛细管压力和渗透率等内容 物理物理 化学流体动力学化学流体动力学 燃烧煤 石油 天然气等 可以得到热能来推动机械或作其他用途 燃烧 离不开气体 这是有化学反应和热能变化的流体力学问题 是物理 化学流体动 力学的内容之一 爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程 涉及气体动力学 从而形成了爆炸力学 研究对象研究对象 一般是在有限空间内的 除压差外还常涉及其他的物理推动力 如浓度差 温度差 表面张力和电场力等 或化学推动力的流动体系 这些流体在本质上 有牛顿型流体和非牛顿型流体 在组成上有小分子 高分子 离子 游离基 在混合态上有微观流体和宏观流体 在表面形态上有气泡 液滴 固体颗粒悬 浮体 乳浊液 射流 毛细流以及各种多相流 如气 液二相流 气 固二相流 液 液二相流 液 固二相流及气 液 固三相流 等 在流动模式上有理想流动和 各种非理想流动 流体在流动过程中可能伴随有热交换和质量交换或化学反应 这些就构成了物理 化学流体动力学研究对象的广泛性和复杂性 也就是本学科 与传统的流体力学不同之处 研究内容研究内容 物理 化学流体动力学正在迅速发展之中 它的体系和范畴尚未最后定型 12 但从国际物理 化学流体动力学历届会议和专门期刊对文章的分类来看 物理 化学流体动力学研究内容可作如下分类 分散体系的流动 包括气泡 液滴在另一连续介质中的运动 气泡和液滴 的破裂和聚并 固体粒子流态化 乳浊液与悬浮