现代流体力学的发展

2017-03-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

所谓现代流体力学指的是,用现代的理论方法、计算和实验技术,研究同现代人类社会生产活动和生存条件紧密相关的流动问题的学科领域。所以,现代流体力学正处在一个用理论分析,数值计算,实验模拟相结台的方法,以非线性问题为重点,各分支学科同时并进的大发展时期。这一时期,渐近分析方法日臻成熟,已经成为一门独立的学科分支,Sturrock和Whltham分别提出了多重尺度法和平均变分法,Van Dyke的延伸摄动级数理论扩大了适用的参数范围。纯粹数学中泛函,群论,拓扑学,尤其是微分动力系统的发展为研究非线性问题提供了有效的手段。由于建成了适合于研究不同马赫数、雷诺数范围典型流动现象的风洞、激波管、弹道靶以及水槽,水洞、转盘等实验设备, 发展r热线技术,激光技术,超声技术和速度、温度、浓度及涡度的测量技术,流动显示和数字化技术延长了人的感官,可以观察新的物理现象,并获得更多的信息。最重要的是,计算机的迅猛发展, 从根本上改变了流体力学面临非线性方程就束手无策的状况,大量数据采集和处理也就成为可能。因为实际问题大多是学科交叉旧,新兴学科领域的出现也是十分自然的。在这一时期的主要成就如下:

计算流体力学已发展成熟,出现了有限差分,有限元, 有限分析, 谱方法和辛算法,建立了计算流体力学的完整的理论体系,即稳定性理论,数值误差耗散,色散原理,网格生成和自适应技术, 迭代和加速收敛方法。提出了许多有效格式,如TVD和ENO格式,Godunov方法和拉格朗日算法, 为求解自由边界问题的MAC方法,为提高分辨率的紧致格式等等。

计算流体力学在高速气体动力学和湍流的直接数值模拟中发挥了重大作用。前者主要用于航天飞机的设计,由于物体几何形状和流场极其复杂,涉及宽阔的流动范围,要考虑内自由度激发和化学反应,计算流体力学家为此进行了不懈的努力。此外, 还研究了非定常流的控制,超临界翼的设计等问题。后者要求分辩到Kolmogorov耗散尺度,计算工作量极大, 如果没有先进的计算机是不可能完成的。目前, 超级计算机,工作站的性能有了飞跃,并行度也在提高。因此,人们已经可以用欧拉方程, 雷诺平均方程求解整个飞机的流场,以及雷诺数达到105的典型流动的湍流问题。计算流体力学几乎渗透到流体力学的每个分支领域。

非线性流动问题取得重大进展。自60年代起,对色散渡理论进行了系统的研究,发现了孤立子现象,发展了求解非线性发展方程完整的理论和数值方法,并被广泛应用于其它学科领域。物理上,提出了波作用量守恒原理,揭示了振相互作用是子系统间交换能量的方式,并应用于深水渡演化的研究。二三维非线性波和与波有关的流动相互作用是这一领域的研究前沿。非线性稳定性的研究主要针时转捩问题,探讨不稳定波的发展情况,用三波共振,二次不稳定来解释K型流向涡结构和N型拉姆达涡结构的转捩方式,用波包来研究湍流斑的形成。由于理论分析的局限性, 要结合数值方法才能描述转捩的全过程。湍流的基础研究从统计方法转向拟序结构的研究, 因为拟序结构对于动量、能量、质量的传输起着决定性的作用,也便于控制。拟序结构可用流动显示,条件采样识辨, 基于Lumley的物理思想, 近年来,Sirovich提出的POD 方法从数学上定义了拟序结构,并在理论上证明了可用最少量的摸态来近似描述无限维动力系统,这是理论分析和数据处理的重要手段。RNG (重正化群)理论正在完善,并应用于剪切湍流。发展了Boltzmann格子气模型以克服方法原有的不足,并有效地研究了渗流问题。上述两种方法是有发展前景的。目前, 为了要研究间歇现象,解释非高斯分布,人们又对统计方法与确定PDF发生了兴趣。

出现了以下一些新兴的学科分支:

生物流体力学。主要研究人体的生理流动,包括心血管、呼吸、泌尿、淋巴一系统的流动。流体的非牛顿流行为(如血液属卡森流体),管道的分叉和变形,肺与肾脏的多孔性,微循环通过细胞膜的传质, 流动的尺度现象(如法罗伊斯一林奎斯特效应)是人体生理流动的的特征, 这方面的研究为发展生物医学工程(如治疗动脉粥样硬化, 人造心瓣等)作出了贡献。此外,还研究了植物体内的生理流动,鱼类的泳动和鸟类的飞行,体育运动力学等.

地球和星系流体力学。它是主要研究大气,海洋、地幔运动一般规律的学科分支,包括全球尺度、天气尺度、中尺度的运动。其特点是要考虑旋转和层结效应,包括泰勒柱、埃克曼层、地转近似、罗斯贝波、惯性渡、内波、双扩散、异重流等现象,深化了人类对自然现象的认识。还发展了星系的密度波理论, 解释了观察到的旋臂, 揭示了长期维持的机理,解答了缠卷的疑难。

磁流体力学和等离子体物理。主要研究在磁场中的流体运动规律,包括磁流体力学波与稳定性。虽然低温等离子体早已在工业中得到应用,但直到4O年代,才由阿尔芬建立磁流体力学这门学科, 并在天体与空间物理中得到应用。50年代以来主要动力是受控热核反应的研究, 一直在寻求适当的磁场位形与解决磁约束或惯性约束问题的途径。目前提出的办法有,托卡玛克,磁镜装置,激光, 电子束, 离子柬聚变.研究中遇到不少困难,道路是曲折的,但是, 一旦实现点火, 前景诱人, 人类不必再为能源枯竭担忧了。地球磁场的起源和逆转也是一个磁流体力学问题.

物理化学流体力学。它是50年代由列维奇倡导的,研究同扩散、渗析、返混、电泳,聚并、燃烧,流态化和毛细流等物理化学现象有关的流体力学分支。多相流专门研究两相以上同种或异种化学成分物质组成的混合物的流动.如用单流体模型,有泡沫流和栓塞流;如用双流体模型,有液厨,气固和气液流动,如果在流动中颗粒碰撞占主导地位,隙间流体的作用可以忽略,则可用颗粒流模型。多相流在自然界与在化工,冶炼和石油工业中有广泛的应用。实际上,渗流的出现应以上一世纪的达西定律为标志,5O年代以后,进一步发展了非等温、非均匀介质,非牛顿和多相渗流,物理化学渗流,生物渗流。本世纪20年代建立了流变学, 以后逐步形成非牛顿流体力学, 包括变粘度、有屈服应力、有时效和牯弹性的流体运动。有些现象,如爬杆、挤胀和减阻等是非牛顿流体所特有的。测定了各种非牛顿流体的本构关系, 揭示其与介质内部鲭掏, 如高分子链、蜡晶结构、悬浮固体颗粒、纤维、血球的联系。描述非牛顿流体的运动与稳定性,并应用于塑料、化纤、彩胶、橡胶和造纸工业。

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