Mechanics 版 (精华区)

发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: 流体力学——21世纪初的力学发展趋势
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Apr  3 14:49:02 2005), 转信

流体力学——21世纪初的力学发展趋势

    现代意义下的流体力学形成于本世纪初，它是通过Prandtl的边界层理论完成的。但在此以前的不少理想流体研究的成果，至今仍有意义，如水波的基本理论。Prandtl的边界层理论还导致了应用数学中有名的渐近匹配法的形成，并迅速在其它学科中找到了广阔的应用领域。上个世纪在运河河道中发现的孤立波在60年代得到了彻底的解决，既推动了力学和数学的发展，也迅速导致在其它学科如光学、声学中发现类似的现象。现在孤立波(光学中称孤立子)已成了光通信的基石。本世纪60年代，为探索为何基于流体力学方程的数值天气预报只能准确到很少几天，通过简化这组方程之后，得到了现在已十分著名的Lorenz方程。数值计算表明，它的解对初值十分敏感，以致一定时间之后，其值变得几乎完全不可预测的了。这一发现开辟了混沌研究新领域，奠定了非线性科学的基础。这一事实还说明，流体力学方程(NS方程)的内涵十分深邃，对它的了解还远不是充分的。水波中各种波的非线性作用的研究，也丰富了非线性科学的内容。凡此种种，显示出了本世纪流体力学在科学发展中的作用。

　　流体力学在工程技术中的作用，更是有目共睹的。飞机的飞行速度得以超过声速，是空气动力学发展的结果。人类登月的成功，大型火箭和航天飞机的实现，需要解决成千上万个前所未有的难题，而力学问题往往首当其冲。为此形成了高超声速气动力学，物理化学流体力学，稀薄气体力学等一系列新的分支学科，并极大地推动了计算科学的发展。为解决喷气机的噪声问题，提出了流体噪声理论，它完全不同于经典的声学理论。各种高速、高机动性和高敏捷性的军用飞机和安全、舒适的大型民航机的研制成功，同样需要流体力学提供的新思想和新成果。70年代兴起的海上采油工业，若没有流体力学的研究成果为依据，设计、建造单台价值超过10亿美元的海上采油平台是不可能的。巨型船舶、高性能潜艇及各种新型船舶的研制中，流体力学问题仍是首先要加以解决的。其它如地下油气开采也得益于流体力学的指导。大型水利枢纽的设计和建造，离开了水力学是不可能的。各种大型建筑物，如火电站的冷却塔和大跨度桥梁等遭风载破坏的教训，引起了力学和工程界的密切关注，形成了风工程这门新的学科。大型汽轮机、燃气轮机及涡喷发动机等现代动力机械的研制，提出了许多新的流体力学问题，形成了独特的翼栅及内流理论，其中还伴有高温、化学反应、多相等复杂因素，总而言之，没有流体力学的发展，本世纪的许多工程技术，特别是高新技术的发展是不可能的。

　　流体力学在取得巨大进展的同时，也留下了一些仍待解决的问题。不尽快地将它们解决，必然对科学及工程技术的进一步发展带来困难。同时，技术的发展是无止境的。仅就交通运输为例，无论是空中、水上水下，还是陆地上的交通工具都在朝着更大、更快、更安全、更舒火箭和航天飞机的实现，需要解决成千上万个前所未有的难题，而力学问题往往首当其冲。为此形成了高超声速气动力学，物理化学流体力学，稀薄气体力学等一系列新的分支学科，并极大地推动了计算科学的发展。为解决喷气机的噪声问题，提出了流体噪声理论，它完全不同于经典的声学理论。各种高速、高机动性和高敏捷性的军用飞机和安全、舒适的大型民航机的研制成功，同样需要流体力学提供的新思想和新成果。70年代兴起的海上采油工业，若没有流体力学的研究成果为依据，设计、建造单台价值超过10亿美元的海上采油平台是不可能的。巨型船舶、高性能潜艇及各种新型船舶的研制中，流体力学问题仍是首先要加以解决的。其它如地下油气开采也得益于流体力学的指导。大型水利枢纽的设计和建造，离开了水力学是不可能的。各种大型建筑物，如火电站的冷却塔和大跨度桥梁等遭风载破坏的教训，引起了力学和工程界的密切关注，形成了风工程这门新的学科。大型汽轮机、燃气轮机及涡喷发动机等现代动力机械的研制，提出了许多新的流体力学问题，形成了独特的翼栅及内流理论，其中还伴有高温、化学反应、多相等复杂因素，总而言之，没有流体力学的发展，本世纪的许多工程技术，特别是高新技术的发展是不可能的。

　　流体力学在取得巨大进展的同时，也留下了一些仍待解决的问题。不尽快地将它们解决，必然对科学及工程技术的进一步发展带来困难。同时，技术的发展是无止境的。仅就交通运输为例，无论是空中、水上水下，还是陆地上的交通工具都在朝着更大、更快、更安全、更舒适的方向发展，新问题将层出不穷。

　　第一个大问题是湍流。经过几代人的努力，对这一问题的认识已大为深化，这才有上述各项成就。绝大多数情况下，流体运动都处于湍流状态。目前计算这类问题的办法都带有经验的成分，因此计算结果不十分有把握，各种办法的普适性和预测能力均差，特别是对于超声速、高超声速流中的湍流，情况尤其如此。随着高新技术的发展，发现过去的经验局限性太大，因而亟待在湍流的研究上有所突破。

　　各种物体如飞机、船舶等航行器在流体中运动特别是在作非定常运动时，会产生十分复杂的流场。其核心问题是各种涡系的生成、消长和流动分离的产生。有关机理的许多问题尚未弄清，因为其中包含复杂的非线性因素。这方面的研究成果将对未来空中及水中航行器的研制产生重大影响。

　　下世纪初，空天飞机和新一代的超声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的进展。在有关的高温空气动力学中必须放弃原先的热力学平衡的假定。吸气式发动机中H2，O2在超声速流动状态下的混合、点火等，都是过去的理论和实践未能解决的难题。超声速流边界层的控制、减阻以及降噪控制等也带来一系列新问题。

　　船舶除了向更大、更快的方向发展外，还提出了许多新型船舶，包括贴近水面航行、必要时可升空飞行或降在水面上的大型冲翼艇。这时计算各种航态和海况下的波载荷，将遇到极大的困难。由于波载计算不准而导致在恶劣海况下失事，即使对现代的常规船舶也仍是屡见不鲜的。80年代末至今已有10余艘船在北海失事。从流体力学的角度看，冲翼艇的困难主要在于有事先未定的自由表面，表面边界条件的非线性，波浪的随机性，水表层为湍流，以及流体与船舶运动相耦合等。

  　风浪相互作用机制，至今尚未弄清，而它是天气预报这类全球性问题的重要环节，也是近年来正在探索的通过遥测水面波参数以测量近水面风速这一新技术的基础，这个问题的突破将大大改进收集全球气象数据的广度和精度。

　　海面波浪参数的遥测数据还有可能用以探测潜航的潜艇及海流，但这要开辟传统波浪理论未涉及的有旋流对波浪的影响这一新的领域。

　　为了尽可能多地开采地下油气，需要深入研究渗流机理并将其定量化。渗流的研究还有助于了解植物体内液体的运动规律，进而了解各种新陈代谢的宏观机制。

　　化工流程的设计，在相当大的程度上可归结为流体运动的计算问题，包括多相流及非牛顿流。由于流动的复杂性，不少重要化工装置的设计带有很多经验因素，以致不能发挥最大效益。因而针对若干典济效益。在未来生物技术产业化的过程中，会遇到类似或更复杂的情况，因而这方面的研究是真正形成生物技术工业不可缺少的基础。

　　由于复杂流场计算的需要，各种计算方法和理论还需大大发展，以期能精确捕捉激波和分辨旋涡运动、能够处理非线性自由表面及湍流问题等。由于计算量特别巨大，必须发展新的计算机硬件和软件，特别是并行机及其软件，并行计算软件的发展，也必须结合具体计算对象来研制。因而计算流体力学的发展，既是解决具体问题所需，也将对计算科学作出重要贡献。



来源:饮水思源bbs

--

                         忽报人间曾伏虎，泪飞顿作倾盆雨。


※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.228.161]