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第26章 液体和气体的运动——流体力学

日常生活中接触到的水、空气等流体,事实上就是流体力学中的流体,由此可见,流体力学与人类生活息息相关。

在力学中,流体力学是其中一个重要分支,以流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律为主要研究内容,它有着极其广泛的应用价值,例如生活、环保、科学技术以及工程等。

水和空气在流体力学中研究得最多,它以牛顿运动定律和质量守恒定律为基础,不仅如此,往往还要用到热力学知识,有时还会用到本构方程和物理学、宏观电动力学的基本定律以及一些基本的化学知识。

伯努利于1738年出版他的专著的时候,首先采用了水动力学这一名词作为书名;随后又于1880年前后,出现了空气动力学这一名词;1935年后,人们对这两方面的知识进行了概括与总结,建立了比较全面的体系,统称为流体力学。

此外,作为汽轮机工作介质的水蒸气、地下石油、润滑油、血液、含泥沙的江水、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等都可以作为流体来研究。更加重要的是,它还广泛地使用在船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行,气象、水利研究,可燃气体或炸药爆炸等等许多领域。流体力学不仅可以指导许多现代科学技术所关心的问题,与此同时也促进了自身的发展。电子计算机于1950年后的迅速发展,推动了流体力学的发展。

1.流体力学的研究内容

气体和液体统称为流体。流体在人们的生活和生产活动中随处可见,所以流体力学与人类日常生活和生产事业有着密切的联系。在众多流体之中,大气和水是最常见的,整个地球都被大气包围着,地球表面的70%都是水。众所周知的海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)、大气运动、地球深处熔浆的流动都属于流体力学的研究范围之内。

世界第一架飞机于20世纪初出现,随后,飞机以及其他各种飞行器快速发展起来。航天飞行开始于20世纪50年代,自此以后人类的活动范围大大扩展了。航空航天事业如此迅速发展,离不开同流体力学的分支学科——空气动力学和气体动力学的发展,因为在流体力学中,这些学科是最活跃、最富有成果的领域。

流体力学分支之一——渗流力学研究的主要对象,要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动,例如地下水的开发利用,石油和天然气的开采等等。除此之外,渗流力学还涉及到化工中的浓缩,土壤盐碱化的防治、分离和多孔过滤,燃烧室的冷却等一些相关技术问题。河流泥沙运动、沙漠迁移、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等,都涉及到流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题,此类问题属于多相流体力学研究范围。

燃烧的条件是可燃物、助燃剂和达到着火点,因此燃烧往往与气体不可分,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。由于爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递的一个过程,所以它涉及到气体动力学,正是这个原因,才形成了爆炸力学。

所谓的等离子体,指的是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。在磁场作用下,等离子体有着自身特殊的运动规律。而对等离子体的运动规律进行研究的学科,通常被人们称为等离子体动力学和电磁流体力学,它们的应用方面也比较广泛,例如磁流体发电、受控热核反应、宇宙气体运动等。

环境流体力学,是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。例如风对建筑物、桥梁、电缆等的作用,能够使它们承受载荷和激发振动;人类所排放的废气和废水,能够对环境造成一定的污染;在冲刷的作用下,河床发生迁移甚至于海岸遭到侵蚀。对这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的研究,也就是所谓环境流体力学。

生物流变学是生物力学的一个分支,它主要研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题,例如血液在血管中的流动,心、肺、肾中的生理流体运动,植物中营养液的输送等等。除此之外,鸟类在空中的飞翔,动物在水中的游动等等都是它的研究内容。

由上可知,流体力学不仅包括自然科学的基础理论,也包括工程技术科学方面的应用。如果流体力学按照流体作用力的角度来划分,可以划分为三类:流体静力学、流体运动学以及流体动力学;以对不同“力学模型”的研究为根据来划分,则可以分为理想流体动力学、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。

2.流体力学的发展方向

随着流体力学的发展,自20世纪以来,它已成为基础科学体系的一部分。不仅如此,它还有着极其广泛的应用,例如工业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等。

不久的将来,一方面,人们将更深入地开展基础研究,探求流体的复杂流动规律和机理;另一方面,人们将以工程技术方面的需求为根据进行流体力学应用性的研究。前者包括的内容很多,例如流体和结构物的相互作用,多相流动等等。

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