現(xiàn)代流體力學的發(fā)展

2017-03-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

所謂現(xiàn)代流體力學指的是,用現(xiàn)代的理論方法、計算和實驗技術(shù),研究同現(xiàn)代人類社會生產(chǎn)活動和生存條件緊密相關(guān)的流動問題的學科領(lǐng)域。所以,現(xiàn)代流體力學正處在一個用理論分析,數(shù)值計算,實驗模擬相結(jié)臺的方法,以非線性問題為重點,各分支學科同時并進的大發(fā)展時期。這一時期,漸近分析方法日臻成熟,已經(jīng)成為一門獨立的學科分支,Sturrock和Whltham分別提出了多重尺度法和平均變分法,Van Dyke的延伸攝動級數(shù)理論擴大了適用的參數(shù)范圍。純粹數(shù)學中泛函,群論,拓撲學,尤其是微分動力系統(tǒng)的發(fā)展為研究非線性問題提供了有效的手段。由于建成了適合于研究不同馬赫數(shù)、雷諾數(shù)范圍典型流動現(xiàn)象的風洞、激波管、彈道靶以及水槽,水洞、轉(zhuǎn)盤等實驗設(shè)備, 發(fā)展r熱線技術(shù),激光技術(shù),超聲技術(shù)和速度、溫度、濃度及渦度的測量技術(shù),流動顯示和數(shù)字化技術(shù)延長了人的感官,可以觀察新的物理現(xiàn)象,并獲得更多的信息。最重要的是,計算機的迅猛發(fā)展, 從根本上改變了流體力學面臨非線性方程就束手無策的狀況,大量數(shù)據(jù)采集和處理也就成為可能。因為實際問題大多是學科交叉舊,新興學科領(lǐng)域的出現(xiàn)也是十分自然的。在這一時期的主要成就如下:

計算流體力學已發(fā)展成熟,出現(xiàn)了有限差分,有限元, 有限分析, 譜方法和辛算法,建立了計算流體力學的完整的理論體系,即穩(wěn)定性理論,數(shù)值誤差耗散,色散原理,網(wǎng)格生成和自適應技術(shù), 迭代和加速收斂方法。提出了許多有效格式,如TVD和ENO格式,Godunov方法和拉格朗日算法, 為求解自由邊界問題的MAC方法,為提高分辨率的緊致格式等等。

計算流體力學在高速氣體動力學和湍流的直接數(shù)值模擬中發(fā)揮了重大作用。前者主要用于航天飛機的設(shè)計,由于物體幾何形狀和流場極其復雜,涉及寬闊的流動范圍,要考慮內(nèi)自由度激發(fā)和化學反應,計算流體力學家為此進行了不懈的努力。此外, 還研究了非定常流的控制,超臨界翼的設(shè)計等問題。后者要求分辯到Kolmogorov耗散尺度,計算工作量極大, 如果沒有先進的計算機是不可能完成的。目前, 超級計算機,工作站的性能有了飛躍,并行度也在提高。因此,人們已經(jīng)可以用歐拉方程, 雷諾平均方程求解整個飛機的流場,以及雷諾數(shù)達到105的典型流動的湍流問題。計算流體力學幾乎滲透到流體力學的每個分支領(lǐng)域。

非線性流動問題取得重大進展。自60年代起,對色散渡理論進行了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象,發(fā)展了求解非線性發(fā)展方程完整的理論和數(shù)值方法,并被廣泛應用于其它學科領(lǐng)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統(tǒng)間交換能量的方式,并應用于深水渡演化的研究。二三維非線性波和與波有關(guān)的流動相互作用是這一領(lǐng)域的研究前沿。非線性穩(wěn)定性的研究主要針時轉(zhuǎn)捩問題,探討不穩(wěn)定波的發(fā)展情況,用三波共振,二次不穩(wěn)定來解釋K型流向渦結(jié)構(gòu)和N型拉姆達渦結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)捩方式,用波包來研究湍流斑的形成。由于理論分析的局限性, 要結(jié)合數(shù)值方法才能描述轉(zhuǎn)捩的全過程。湍流的基礎(chǔ)研究從統(tǒng)計方法轉(zhuǎn)向擬序結(jié)構(gòu)的研究, 因為擬序結(jié)構(gòu)對于動量、能量、質(zhì)量的傳輸起著決定性的作用,也便于控制。擬序結(jié)構(gòu)可用流動顯示,條件采樣識辨, 基于Lumley的物理思想, 近年來,Sirovich提出的POD 方法從數(shù)學上定義了擬序結(jié)構(gòu),并在理論上證明了可用最少量的摸態(tài)來近似描述無限維動力系統(tǒng),這是理論分析和數(shù)據(jù)處理的重要手段。RNG (重正化群)理論正在完善,并應用于剪切湍流。發(fā)展了Boltzmann格子氣模型以克服方法原有的不足,并有效地研究了滲流問題。上述兩種方法是有發(fā)展前景的。目前, 為了要研究間歇現(xiàn)象,解釋非高斯分布,人們又對統(tǒng)計方法與確定PDF發(fā)生了興趣。

出現(xiàn)了以下一些新興的學科分支:

生物流體力學。主要研究人體的生理流動,包括心血管、呼吸、泌尿、淋巴一系統(tǒng)的流動。流體的非牛頓流行為(如血液屬卡森流體),管道的分叉和變形,肺與腎臟的多孔性,微循環(huán)通過細胞膜的傳質(zhì), 流動的尺度現(xiàn)象(如法羅伊斯一林奎斯特效應)是人體生理流動的的特征, 這方面的研究為發(fā)展生物醫(yī)學工程(如治療動脈粥樣硬化, 人造心瓣等)作出了貢獻。此外,還研究了植物體內(nèi)的生理流動,魚類的泳動和鳥類的飛行,體育運動力學等.

地球和星系流體力學。它是主要研究大氣,海洋、地幔運動一般規(guī)律的學科分支,包括全球尺度、天氣尺度、中尺度的運動。其特點是要考慮旋轉(zhuǎn)和層結(jié)效應,包括泰勒柱、?？寺鼘?、地轉(zhuǎn)近似、羅斯貝波、慣性渡、內(nèi)波、雙擴散、異重流等現(xiàn)象,深化了人類對自然現(xiàn)象的認識。還發(fā)展了星系的密度波理論, 解釋了觀察到的旋臂, 揭示了長期維持的機理,解答了纏卷的疑難。

磁流體力學和等離子體物理。主要研究在磁場中的流體運動規(guī)律,包括磁流體力學波與穩(wěn)定性。雖然低溫等離子體早已在工業(yè)中得到應用,但直到4O年代,才由阿爾芬建立磁流體力學這門學科, 并在天體與空間物理中得到應用。50年代以來主要動力是受控熱核反應的研究, 一直在尋求適當?shù)拇艌鑫恍闻c解決磁約束或慣性約束問題的途徑。目前提出的辦法有,托卡瑪克,磁鏡裝置,激光, 電子束, 離子柬聚變.研究中遇到不少困難,道路是曲折的,但是, 一旦實現(xiàn)點火, 前景誘人, 人類不必再為能源枯竭擔憂了。地球磁場的起源和逆轉(zhuǎn)也是一個磁流體力學問題.

物理化學流體力學。它是50年代由列維奇倡導的,研究同擴散、滲析、返混、電泳,聚并、燃燒,流態(tài)化和毛細流等物理化學現(xiàn)象有關(guān)的流體力學分支。多相流專門研究兩相以上同種或異種化學成分物質(zhì)組成的混合物的流動.如用單流體模型,有泡沫流和栓塞流;如用雙流體模型,有液廚,氣固和氣液流動,如果在流動中顆粒碰撞占主導地位,隙間流體的作用可以忽略,則可用顆粒流模型。多相流在自然界與在化工,冶煉和石油工業(yè)中有廣泛的應用。實際上,滲流的出現(xiàn)應以上一世紀的達西定律為標志,5O年代以后,進一步發(fā)展了非等溫、非均勻介質(zhì),非牛頓和多相滲流,物理化學滲流,生物滲流。本世紀20年代建立了流變學, 以后逐步形成非牛頓流體力學, 包括變粘度、有屈服應力、有時效和牯彈性的流體運動。有些現(xiàn)象,如爬桿、擠脹和減阻等是非牛頓流體所特有的。測定了各種非牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系, 揭示其與介質(zhì)內(nèi)部鯖掏, 如高分子鏈、蠟晶結(jié)構(gòu)、懸浮固體顆粒、纖維、血球的聯(lián)系。描述非牛頓流體的運動與穩(wěn)定性,并應用于塑料、化纖、彩膠、橡膠和造紙工業(yè)。

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