搜索流體力學(xué)發(fā)展概況和趨勢
2017-02-27 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
本文摘錄自由鄭哲敏院士領(lǐng)銜的多名院士起草的《自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展之戰(zhàn)略研究報告》
作為物理的一部分,流體力學(xué)在很早以前就得到發(fā)展。在19世紀(jì),流體力學(xué)沿著兩個方面發(fā)展,一方面,將流體視為無粘性的,有一大批有名的力學(xué)數(shù)學(xué)家從事理論研究,對數(shù)學(xué)物理方法和復(fù)變函數(shù)的發(fā)展,起了相當(dāng)重要的作用;另一方面,由于灌溉、給排水、造船,及各種工業(yè)中管道流體輸運的需要,使得工程流體力學(xué),特別是水力學(xué)得到高度發(fā)展。
將二者統(tǒng)一起來的關(guān)鍵是本世紀(jì)初邊界層理論的提出,其中心思想是在大部分區(qū)域,因流體粘性起的作用很小,流體確實可以看成是無粘的。這樣,很多理想流體力學(xué)理論就有了應(yīng)用的地方。但在鄰近物體表面附近的一薄層中,粘性起著重要的作用而不能忽略。邊界層理論則提供了一個將這兩個區(qū)域結(jié)合起來的理論框架。邊界層這樣一個現(xiàn)在看來是顯而易見的現(xiàn)象,是德國的普朗特在水槽中直接觀察到的。這雖也是很多人可以觀察到的,卻未引起重視,普朗特的重大貢獻就在于他提出了處理這種把兩個物理機制不同的區(qū)域結(jié)合起來的理論方法。這一理論提出后,在經(jīng)過約10年的時間,奠定了近代流體力學(xué)的基礎(chǔ)。
有意思的是在流體力學(xué)中發(fā)現(xiàn)的這種邊界層現(xiàn)象,很快地在別的科學(xué)領(lǐng)域得到了響應(yīng),因為這里面包含了更廣泛和深刻的內(nèi)容。由此又大大促進了應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展,從而形成了現(xiàn)在在很多科學(xué)中廣泛應(yīng)用的“漸近匹配法”。
在流體力學(xué)中首先發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象及為此提出的理論,在一段時間以后被發(fā)現(xiàn)在其他學(xué)科領(lǐng)域中同樣存在和有用,這樣的例子并不是唯一的一個。例如,100年前在水波中觀察到的孤立波及其理論到本世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)在聲波、光波中同樣存在和有用,從而迅速形成了系統(tǒng)的理論。目前具有重要應(yīng)用前景的光通訊,正是建立在孤立子(孤立波)理論基礎(chǔ)上的。
又如在上個世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的流體從下部加熱從而引起對流并能形成有規(guī)則圖形的現(xiàn)象,以及本世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)的兩旋轉(zhuǎn)圓筒間所充滿的流體在一定條件下能形成有規(guī)則的二次流的現(xiàn)象,成了近代在各個學(xué)科領(lǐng)域中普遍關(guān)注的分岔現(xiàn)象及理論的經(jīng)典例子。而且也是最近逐步形成的圖形(pattern)動力學(xué)的典型例子及實驗對象。
再如在本世紀(jì)60年代由流體對流(與氣象有關(guān))導(dǎo)出的洛倫茨(E.N.Lorenz)方程及其研究,導(dǎo)致了混沌理論的形成。而混沌理論不僅在自然科學(xué),而且在社會科學(xué)中都有普遍意義,因而被認(rèn)為是本世紀(jì)科學(xué)中最重要成就之一。
以上所舉的幾個例子,足以說明流體力學(xué)的研究在近代科學(xué)發(fā)展中所起的作用,這種現(xiàn)象有其深刻的背景。首先,流體運動是宏觀現(xiàn)象,最便于人類觀察和感知。而流體力學(xué)從本質(zhì)上講是非線性的,包含著極為豐富而至今還未被人認(rèn)識和理解的現(xiàn)象及規(guī)律。所以有理由相信,這種由流體力學(xué)中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律逐漸滲透到其他科學(xué)領(lǐng)域并最終形成具有普遍意義的理論的科學(xué)發(fā)展道路,今后仍將在整個自然科學(xué)的發(fā)展中繼續(xù)起著重要作用。
流體力學(xué)又是很多工業(yè)的基礎(chǔ)。最突出的例子是航空航天工業(yè)?？梢院敛豢浯蟮卣f,沒有流體力學(xué)的發(fā)展,就沒有今天的航空航天技術(shù)。當(dāng)然,航空航天工業(yè)的需要,也是流體力學(xué),特別是空氣動力學(xué)發(fā)展的最重要的推動力。就以亞音速的民航機為例,如果坐在一架波音747飛機上,想一下這種有400多人坐在其中,總重量超過300噸,總的長寬有大半個足球場大的飛機,竟是由比鴻毛還輕的空氣支托著,這是任何人都不能不驚嘆流體力學(xué)的成就。更不用說今后會將出現(xiàn)更大、飛行速度更快的飛機。
同樣,也不可能想象,沒有流體力學(xué)的發(fā)展,能設(shè)計制造排水量超過50萬噸的船舶,能建造長江三峽水利工程這種超大規(guī)模工程,能設(shè)計90萬kW汽輪機組,能建造每臺價值超過10億美元的海上采油平臺,能進行氣候的中長期預(yù)報,等等。甚至天文上觀測到的一些宇宙現(xiàn)象,如星系螺旋結(jié)構(gòu)形成的機理,也通過流體力學(xué)中形成的理論得到了解釋。近年來從流體力學(xué)的角度對魚類游動原理的研究,發(fā)現(xiàn)了采用只是擺動尾部(指身體大部不動)來產(chǎn)生推進力的魚類,最好的尾型應(yīng)該是細長的月牙型。這正是經(jīng)過幾億年進化而形成的鯊魚和鯨魚的尾型,而這些魚類的游動能力在魚類中是最好的。這就為生物學(xué)進化方面提供了說明,引起了生物學(xué)家的很大興趣。
所以很明顯,流體力學(xué)研究,既對整個科學(xué)的發(fā)展起了重要的作用,又對很多與國計民生有關(guān)的工業(yè)和工程,起著不可缺少的作用。它既有基礎(chǔ)學(xué)科的性質(zhì),又有很強的應(yīng)用性,是工程科學(xué)或技術(shù)科學(xué)的重要組成部分。今后流體力學(xué)的發(fā)展仍應(yīng)二者并重。
展望下一世紀(jì)流體力學(xué)的發(fā)展,一方面以湍流機制為核心的若干基本問題將繼續(xù)受到重視;另一方面為促進國家建設(shè)和社會進步,主要力量將會集中于研究與解決具有明確應(yīng)用目標(biāo)的應(yīng)用基礎(chǔ)課題。今后10至20年,流體力學(xué)大體會沿以下三個方向發(fā)展:
(1) 在基礎(chǔ)理論研究方面,湍流機制將仍然是注意的中心
對于流動穩(wěn)定性和混沌的研究也將會以相當(dāng)大的比重與湍流研究相結(jié)合或者與之發(fā)生密切的聯(lián)系。近來發(fā)展非常迅速的各類流動顯示技術(shù)和粒子成像測速法將對猝發(fā)、分離、失穩(wěn),以及各類渦的形成、運動和發(fā)展、破裂、合并、重聯(lián)等現(xiàn)象和過程提供詳細的記錄,巧妙地設(shè)計實驗將為建立新的理論模型指出方向和依據(jù)。
直接數(shù)值模擬可以摒棄對經(jīng)驗的依賴,考慮到計算機性能的限度,需要發(fā)展高分辨率的算法和并行計算技術(shù),精心設(shè)計典型算例,將會提供更多新的現(xiàn)象和規(guī)律。研究湍流、混沌所遇到的數(shù)學(xué)困難在于N-S方程的非線性,采用攝動展開不失為解決弱非線性問題的手段,但很有必要尋求新的表述方法和數(shù)學(xué)工具。針對不同類型的流動特點,將會不斷構(gòu)造出新的理論模型,增強預(yù)測的能力。
(2) 在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面,需要加強流體力學(xué)的研究
在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面,除了繼續(xù)解決航空航天、航海、機械、水利、化工等方面的流體力學(xué)問題,還將在普遍受到重視的能源、環(huán)境、材料以及高技術(shù)等領(lǐng)域中加強流體力學(xué)的研究。相當(dāng)數(shù)量的問題是具有幾何形狀復(fù)雜、流體結(jié)構(gòu)多樣,還可能存在多相和反應(yīng)以及出現(xiàn)非平衡現(xiàn)象,值得提到的有超聲速燃燒,化學(xué)反應(yīng)流,高超聲速繞流等。不論是整體流場或是某一單元過程,數(shù)值模擬將會發(fā)揮重要作用。在某些典型問題方面,如繞流、水波、可壓縮性波動等,已經(jīng)發(fā)展了一批大型計算軟件,今后這一發(fā)展勢頭將會更快,它不僅可以滿足實用的需要,也是一種為理論研究服務(wù)的數(shù)值實驗。
(3) 一些新的領(lǐng)域可能有大的發(fā)展
由于社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的需要,流體力學(xué)將會對全社會關(guān)心的生態(tài)環(huán)境的維護問題發(fā)揮積極的作用,重點是研究陸氣、海氣界面過程,污染物的遷移,風(fēng)沙、泥沙、泥石流運動,以及農(nóng)業(yè)和工業(yè)中的水循環(huán)等。此外,與生物、地球和天文的結(jié)合也將會涌現(xiàn)重大的研究成果。
本世紀(jì)的流體力學(xué)取得多方面的重大進展,特別是在本世紀(jì)下半葉,由于實驗測試技術(shù)、數(shù)值計算手段和分析方法上的進步,在多種非線性流動以及力學(xué)和其他物理、化學(xué)效應(yīng)相耦合的流動等方面呈現(xiàn)了豐富多采的發(fā)展態(tài)勢。
在實驗方面,已經(jīng)建立了適合于研究不同馬赫數(shù)、雷諾數(shù)范圍典型流動的風(fēng)洞、激波管、彈道靶以及水槽、水洞、轉(zhuǎn)盤等實驗設(shè)備,發(fā)展了熱線技術(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)的迅猛發(fā)展使得大量數(shù)據(jù)采集、處理和分析成為可能,為提供新現(xiàn)象和驗證新理論創(chuàng)造了條件。
計算流體力學(xué)發(fā)展極快。出現(xiàn)了有限差分、有限元、有限分析、譜方法和辛算法;建立了較完整的理論體系,即穩(wěn)定性理論、數(shù)值耗散和色散分析、網(wǎng)格生成和自適應(yīng)技術(shù)、迭代和加速收斂方法;
提出了求解自由邊界問題的多種拉格朗日和歐拉的混合方法,計算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場的高精度格式等。目前,計算流體力學(xué)已經(jīng)成為流體力學(xué)各分支中不可缺少的工具。
分析方法的主要進步當(dāng)首推漸近展開法的日趨成熟,多種漸近法(如匹配展開法、多重尺度法、平均變分法等)被廣泛運用于求解弱非線性問題。純粹數(shù)學(xué)中的泛函、群論、拓撲學(xué),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。
本世紀(jì)對流體力學(xué)中的一些基本流動現(xiàn)象的研究取得了可喜的進步,下面將分別敘述在湍流、流動穩(wěn)定性、混沌、非線性波、渦運動、
流體力學(xué)中最普遍的現(xiàn)象是湍流,而湍流機制則是最基本的問題,曾吸引眾多的力學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家從事研究,如:普朗特,柯莫戈羅夫Kolmogorov),蘭道(Landau)等。經(jīng)過多代人的研究,經(jīng)歷了唯象理論、統(tǒng)計理論、模式理論直至今天的直接數(shù)值模擬等階段,對這一問題的認(rèn)識已大為深化。
40年代周培源指出必須同時聯(lián)立求解平均運動和脈動運動,并提出用逐級近似求解的方法來克服方程不封閉的困難。80年代周培源又提出“準(zhǔn)相似性”條件使方程封閉,而且采用數(shù)值迭代法得到和實驗相符的新結(jié)果。目前的工程計算一般都依靠周培源所奠基的湍流模式理論。
60年代末在剪切湍流中發(fā)現(xiàn)了相干結(jié)構(gòu)的存在,近年來又在實驗和數(shù)值模擬中顯示出湍流小尺度的統(tǒng)計性質(zhì)偏離高斯型,這些都說明湍流是一種確定性與隨機性、有序和無序并存的流動,改變了湍流是完全不規(guī)則的隨機運動的傳統(tǒng)看法。此外,60年代以來混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和混沌動力學(xué)的迅速發(fā)展說明存在一類貌視混亂的確定性現(xiàn)象,啟發(fā)人們提出了湍流可能是由混沌發(fā)展起來的猜想。
70年代提出用重整化群研究湍流的方法。這一方法曾在相變動力學(xué)中取得成效,考慮到湍流和相變動力學(xué)之間存在某種相似性,而將改進了的重整化群方法用于N-S方程。近年來已能預(yù)測湍流理論中的一些著名常數(shù)和近壁區(qū)的流向條帶等,但這方法中有關(guān)渦間相互作用的基本假設(shè)還缺乏充分的根據(jù),有待進一步的探討。
近年來運用運動穩(wěn)定性理論已經(jīng)能夠解釋自由剪切流中相干結(jié)構(gòu)的成因。邊界層內(nèi)相干結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和演化機制則要復(fù)雜得多,尚需作深入的研究。
由于計算機和計算方法的發(fā)展,近20年來湍流的直接數(shù)值模擬取得了驚人的進展。因為它不包含人為假設(shè)和經(jīng)驗常數(shù)而能描述各種尺度渦結(jié)構(gòu)的演化,在槽道流中顯示了從層流到充分發(fā)展湍流的完整的轉(zhuǎn)捩過程,可以認(rèn)為直接數(shù)值模擬將是今后湍流研究的基本工具之一,能對湍流結(jié)構(gòu)的成因及演化過程不斷提供新的看法。
流動穩(wěn)定性研究流動從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變機理,如Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定、Helmholtz不穩(wěn)定、Gotler不穩(wěn)定等,特別是一些與工程技術(shù)有關(guān)的典型剪切流動(包括邊界層、槽流、管流、射流、尾流)從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩則是最重要的研究穩(wěn)定性的領(lǐng)域。上述穩(wěn)定性問題的線性理論業(yè)已成熟。但是這些理論往往要用平行流假設(shè),這對于邊界層流、自由剪切流情況并不合適,致使臨界雷諾數(shù)與實際不符,所以要考慮非平行性對擾動演化的影響;人們不僅要研究擾動的自發(fā)演化過程,而且要考慮外界擾動如聲激發(fā)對流動中擾動發(fā)展的影響,這就是receptivity問題;近年來在分析時間模式或空間模式時,發(fā)現(xiàn)二者與實際情況均有差異,從而提出了絕對不穩(wěn)定與遷移不穩(wěn)定的概念。
分岔與波共振相互作用的理論成果推動了近30年來非線性穩(wěn)定性理論的發(fā)展,提出了亞臨界與超臨界不穩(wěn)定的概念,解釋了在轉(zhuǎn)捩過程中所觀察到的現(xiàn)象,如,三維擾動的發(fā)展,不同排列λ渦的出現(xiàn),條紋與湍斑的發(fā)生等。因為平面Couette流與圓管中的Hagen-Poiseuille流對線性擾動是穩(wěn)定的,人們力圖從進口段影響與非線性效應(yīng)解釋在有限雷諾數(shù)下轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯脑颉?shù)值模擬是一個有力的手段,可以用它研究從層流到湍流轉(zhuǎn)捩的全過程。
對經(jīng)典的Benard對流與Taylor-Couette流的穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的研究,考慮了Pr數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向和快慢、半徑比、有限圓筒長等諸因素的影響,得到了不同的流動圖案。
流動穩(wěn)定性的研究成果不斷得到開發(fā)和應(yīng)用,如:Saffman界面不穩(wěn)定應(yīng)用于二次采油,Benjamin-Feir不穩(wěn)定應(yīng)用于風(fēng)浪生成與發(fā)展,Marangoni對流不穩(wěn)定應(yīng)用于晶體生長等。
流體力學(xué)中混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展中的重大事件之一。確定性的流動因為隨初值敏感而可以出現(xiàn)極其復(fù)雜和混亂的現(xiàn)象,這不僅從根本上改變了人們對牛頓力學(xué)的看法,即經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)涵遠遠沒有被充分認(rèn)識,而且也深深影響了人們的自然觀。
洛倫茨在1963年研究天氣預(yù)報時,從流體力學(xué)方程出發(fā)得到了一組簡化方程,他分析了這組后來被稱為洛倫茨方程以后發(fā)現(xiàn),如果控制參數(shù)超過某一臨界值,這組確定性方程的解是隨初值敏感的,也就是說,出現(xiàn)了混沌運動。洛倫茨方程具有一定的代表性,對有名的Benard熱對流問題作簡化,也可得到這一方程。真實的Benard對流實驗當(dāng)然要復(fù)雜得多,但是當(dāng)實驗中控制加熱強度的參數(shù)超過某一臨界值時確實得到了混沌現(xiàn)象。流體中混沌運動的發(fā)現(xiàn)不僅加深了人們對天氣預(yù)報本質(zhì)的認(rèn)識,也對湍流運動的隨機性提出了疑問,啟發(fā)人們?nèi)で笸牧骱突煦缰g存在著什么樣的聯(lián)系。
上面說到的洛倫茨方程所代表的是耗散系統(tǒng)中的混沌,另外一類混沌則屬于保守系統(tǒng)。用拉格朗日觀點考察二維不可壓縮流動中質(zhì)點的軌跡,可以得到非線性的哈密頓保守系統(tǒng)。80年代從理論和實驗兩個方面證實了這樣的保守系統(tǒng)中也存在混沌現(xiàn)象,人們稱之為拉格朗日湍流。一個完整的典型是在兩個偏心圓柱間粘性流體的低雷諾數(shù)流動,被理論和實驗同時證明存在混沌,而這類流動和日常生活和工程中的攪拌混合是密切相聯(lián)的。
由此可見,今后的混沌研究對流體力學(xué)的學(xué)科發(fā)展以及實際應(yīng)用將會產(chǎn)生難以預(yù)料的作用。
水波動力學(xué)是流體力學(xué)中古老而經(jīng)典的分支,近30年來再度成為十分活躍的領(lǐng)域。
60年代在研究固體熱傳導(dǎo)時發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象,即兩個孤波在非線性相互作用后保持波形不變的特性。接著重新導(dǎo)出了水波的KdV方程并發(fā)現(xiàn)了孤立子。此后,為求解非線性波方程提出了有一定普遍意義的反演散射法,Lax為此給出了能夠應(yīng)用此法求解的條件。于是一系列非線性方程,如KdV方程、非線性Schrodinger方程、Sine-Gordon方程等可以求解。在這期間發(fā)展了比較完善的數(shù)值方法,可以模擬非線性波的演化和相互作用的全過程。上述進展不僅被應(yīng)用于對水波的研究,也推動了非線性光學(xué)、超導(dǎo)、等離子體物理等領(lǐng)域。
目前,對水波動力學(xué)的非線性現(xiàn)象的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛,例如:強迫孤立子,先導(dǎo)孤立子,分層流、旋轉(zhuǎn)流和變截面流中的孤立子,波的失穩(wěn)而導(dǎo)致分岔,振動激勵容器中波的共振引起的分岔和混沌等。
由于國際上開發(fā)海洋和減輕自然災(zāi)害的需要,普遍加強了非線性波的研究和應(yīng)用。60年代,O.M. Phillips從湍流的級串現(xiàn)象得到啟示,提出了波-波相互作用的原理,并應(yīng)用于海洋上波浪譜的演化,對于由風(fēng)輸入的能量以及因底部磨擦與波浪破碎引起的耗散過程的認(rèn)識也在深化;在此基礎(chǔ)上,發(fā)展了第三代風(fēng)浪預(yù)報模式(WAM),可成功地預(yù)報全球與區(qū)域的海況。
為適應(yīng)海洋離岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要,有關(guān)波流相互作用、波與結(jié)構(gòu)的相互作用與波與海底的相互作用等的研究對海洋平臺的振蕩、波浪在淺水區(qū)的衰減、海底基礎(chǔ)穩(wěn)定性等的認(rèn)識和預(yù)報有著重大的意義。
“流體經(jīng)不住搓,一搓就搓出了渦”,這句話簡明而生動地概括了流體及其運動的本身。邊界層和擊波層內(nèi)速度劇變,因而是旋渦的集中區(qū);流體繞過物體形成了起動渦、分離渦和脫落渦等;層流向湍流的轉(zhuǎn)捩是旋渦運動的失穩(wěn);湍流運動實際上是各種大小渦結(jié)構(gòu)的相互作用和轉(zhuǎn)化。所以旋渦是流動中最普遍的基本運動成分,渦量是描述流動的一個基本量。60年代以來渦動力學(xué)成為流體動力學(xué)中的一個活躍的研究領(lǐng)域。
經(jīng)典的理想流體力學(xué)中的渦量守恒定理保證,只要跟蹤每個質(zhì)團,隨時計算其他質(zhì)團的旋渦對這一質(zhì)團的誘導(dǎo)速度,便能求出全部流場隨時間的變化。這就是最早的渦動力學(xué)方法。
50年代開始將以速度和壓力表示的N-S方程改寫為以渦量和脹量表示的形式,這種表述突出了問題的動力學(xué)實質(zhì)。因為流體和物體的相互作用是通過物體邊界面上的粘附條件體現(xiàn)的,物體邊界將“搓”出渦量,同時也“擠”出脹量。但是在表述粘附邊界條件上發(fā)生了困難,不能直接寫出渦量和脹量所滿足的關(guān)系。近年來雖提出一些迭代方法,但尚未得到滿意的結(jié)果,這一問題急待解決,如能克服困難,將會對一系列重要流動問題的求解以及對物理本質(zhì)的認(rèn)識起重大的作用。
近20年來渦動力學(xué)的數(shù)值模擬有了較快的發(fā)展,值得重視的是離散渦法和積分方程法。用離散渦法能模擬理想流體運動,但還不能滿意地模擬粘性效應(yīng)。積分方程法采用有限元或邊界元對積分形式的流體力學(xué)方法離散求解,精度較高,很有發(fā)展前途。
渦動力學(xué)的主要研究方向有: 理論體系的完善,渦的穩(wěn)定性與混沌,分離流,湍流中的渦結(jié)構(gòu),波渦相互作用,渦聲,渦的破裂和重聯(lián)等。
這里所指的復(fù)雜流場是指:具有多種流動狀態(tài)或結(jié)構(gòu)的流場、多種物理效應(yīng)并存的流場等,例如波和渦相互作用的流場、激波和附面層相互干擾的流場、湍流脈動噪聲等。
由于工程要求越來越高,特別是超聲速大型客機、現(xiàn)代航天器和航天飛機的發(fā)展要求,需要精確的全機計算。近十年來出現(xiàn)了不少有名的關(guān)于全機(包括航天飛機)繞流、有化學(xué)反應(yīng)氣流繞全機的計算工作。這些工作都利用了超級計算機,為復(fù)雜流場的計算指出了方向。
計算復(fù)雜流場一方面需要發(fā)展具有高分辨力的計算方法和具有高分辨力的流動顯示及量測技術(shù);另一方面還要求對單一的非線性的基本流動規(guī)律有更深入的認(rèn)識。否則對計算結(jié)果的分析和總結(jié)仍會束手無策,甚至難辨真?zhèn)巍?
在工程技術(shù)中存在大量的多相流問題,如風(fēng)沙、水流中的泥沙、氣水中污染物的遷移、煤粉輸運、反應(yīng)器中的多相流、飛行器穿過云層時水晶和水滴的運動等,這些多相流往往不是各相均勻分布的,而出現(xiàn)稀密分區(qū)的現(xiàn)象。
近年來已經(jīng)出現(xiàn)一些從流動穩(wěn)定性的分析來得到無量綱的穩(wěn)定性條件的較好的工作。更多的工作還是結(jié)合現(xiàn)場實測到的經(jīng)驗規(guī)律,設(shè)計和進行合適的室內(nèi)模型試驗,用量綱分析方法整理出半經(jīng)驗的公式。在計算方法方面,出現(xiàn)了多種粒子元技術(shù),如蒙特卡羅(Monte-Carlo)方法、玻爾茲曼格子氣方法等,對于某些流動圖案或機制可以做出定性的說明。隨著計算機技術(shù)和并行算法的飛速發(fā)展,用這些方法進行定量計算的日子也不會太遙遠了。
非平衡流的研究主要有兩個方面,即新一代航天器周圍高溫空氣非平衡效應(yīng)以及能源、化工等工藝流程中的燃燒、相變、化學(xué)反應(yīng)等過程。它們的共同特點是流體力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)速率過程的耦合,前者的介質(zhì)是空氣,而后者的介質(zhì)則多種多樣,往往包含多相介質(zhì)和相變。
80年代航天器的速度高達10km/s,空氣動力加熱引起的高溫使空氣的轉(zhuǎn)動、振動能態(tài)得到激發(fā),產(chǎn)生離解,進而激發(fā)電離和輻射。由于加熱發(fā)生在高空的低密度區(qū),松弛時間和流動特征時間相近,非平衡效應(yīng)主要發(fā)生在稀薄氣體和連續(xù)介質(zhì)間的過渡區(qū)。在這一區(qū)內(nèi),計及化學(xué)反應(yīng)和熱輻射的分子運動論還很不完備,還不能達到求解非平衡流的水平。即使在連續(xù)介質(zhì)框架內(nèi)討論,因為有內(nèi)能激發(fā)和化學(xué)反應(yīng),必須考慮不同自由度的溫度的分離。
80年代提出了多溫度模型的基本方程,但推導(dǎo)還不夠嚴(yán)謹(jǐn)。與此同時,經(jīng)25年發(fā)展起來的直接模擬蒙特卡羅法(DSMC)已經(jīng)可以處理有內(nèi)能激發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的非平衡問題,這是非平衡流研究中的一個重大進步。此法適用范圍極廣,可用于過流區(qū)和高密度區(qū),可處理電離、輻射及帶電粒子的雙極擴散等。采用DSMC法需要反應(yīng)速率的數(shù)據(jù),但目前缺乏高溫下的速率數(shù)據(jù),需要今后實驗的精確測定和進行物理力學(xué)方面的研究。
在燃燒和反應(yīng)流動的研究中,同樣缺乏有關(guān)相變、反應(yīng)的速率方程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)。用分子動力學(xué)方法模擬此類問題有助于定性說明問題。在這一范圍里,燃燒向爆震的轉(zhuǎn)化機理的研究,流化床中流動結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過程的研究均涉及流動、相變、化學(xué)反應(yīng)的耦合以及非平衡效應(yīng),都是值得研究的化學(xué)流體力學(xué)方面的課題。
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