現(xiàn)代流體力學(xué)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(xué)指的是,用現(xiàn)代的理論方法、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)技術(shù),研究同現(xiàn)代人類社會生產(chǎn)活動(dòng)和生存條件緊密相關(guān)的流動(dòng)問題的學(xué)科領(lǐng)域。所以,現(xiàn)代流體力學(xué)正處在一個(gè)用理論分析,數(shù)值計(jì)算,實(shí)驗(yàn)?zāi)M相結(jié)臺的方法,以非線性問題為重點(diǎn),各分支學(xué)科同時(shí)并進(jìn)的大發(fā)展時(shí)期。這一時(shí)期,漸近分析方法日臻成熟,已經(jīng)成為一門獨(dú)立的學(xué)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(dòng)級數(shù)理論擴(kuò)大了適用的參數(shù)范圍。純粹數(shù)學(xué)中泛函,群論,拓?fù)鋵W(xué),尤其是微分動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象的風(fēng)洞、激波管、彈道靶以及水槽,水洞、轉(zhuǎn)盤等實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展, 從根本上改變了流體力學(xué)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?yàn)閷?shí)際問題大多是學(xué)科交叉舊,新興學(xué)科領(lǐng)域的出現(xiàn)也是十分自然的。在這一時(shí)期的主要成就如下:

計(jì)算流體力學(xué)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(jì)算流體力學(xué)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(yīng)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(jì)算流體力學(xué)在高速氣體動(dòng)力學(xué)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(jī)的設(shè)計(jì),由于物體幾何形狀和流場極其復(fù)雜,涉及寬闊的流動(dòng)范圍,要考慮內(nèi)自由度激發(fā)和化學(xué)反應(yīng),計(jì)算流體力學(xué)家為此進(jìn)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(jì)等問題。后者要求分辯到Kolmogorov耗散尺度,計(jì)算工作量極大, 如果沒有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)是不可能完成的。目前, 超級計(jì)算機(jī),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(gè)飛機(jī)的流場,以及雷諾數(shù)達(dá)到105的典型流動(dòng)的湍流問題。計(jì)算流體力學(xué)幾乎滲透到流體力學(xué)的每個(gè)分支領(lǐng)域。

非線性流動(dòng)問題取得重大進(jìn)展。自60年代起,對色散渡理論進(jìn)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(yīng)用于其它學(xué)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(yīng)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(dòng)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(shí)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(dá)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(jì)方法轉(zhuǎn)向擬序結(jié)構(gòu)的研究, 因?yàn)閿M序結(jié)構(gòu)對于動(dòng)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(dòng)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(xué)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(dòng)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(yīng)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(jì)方法與確定PDF發(fā)生了興趣。

出現(xiàn)了以下一些新興的學(xué)科分支:

生物流體力學(xué)。主要研究人體的生理流動(dòng),包括心血管、呼吸、泌尿、淋巴一系統(tǒng)的流動(dòng)。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(xì)胞膜的傳質(zhì), 流動(dòng)的尺度現(xiàn)象(如法羅伊斯一林奎斯特效應(yīng))是人體生理流動(dòng)的的特征, 這方面的研究為發(fā)展生物醫(yī)學(xué)工程(如治療動(dòng)脈粥樣硬化, 人造心瓣等)作出了貢獻(xiàn)。此外,還研究了植物體內(nèi)的生理流動(dòng),魚類的泳動(dòng)和鳥類的飛行,體育運(yùn)動(dòng)力學(xué)等.

地球和星系流體力學(xué)。它是主要研究大氣,海洋、地幔運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的學(xué)科分支,包括全球尺度、天氣尺度、中尺度的運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是要考慮旋轉(zhuǎn)和層結(jié)效應(yīng),包括泰勒柱、埃克曼層、地轉(zhuǎn)近似、羅斯貝波、慣性渡、內(nèi)波、雙擴(kuò)散、異重流等現(xiàn)象,深化了人類對自然現(xiàn)象的認(rèn)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(jī)理,解答了纏卷的疑難。

磁流體力學(xué)和等離子體物理。主要研究在磁場中的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,包括磁流體力學(xué)波與穩(wěn)定性。雖然低溫等離子體早已在工業(yè)中得到應(yīng)用,但直到4O年代,才由阿爾芬建立磁流體力學(xué)這門學(xué)科, 并在天體與空間物理中得到應(yīng)用。50年代以來主要?jiǎng)恿κ鞘芸責(zé)岷朔磻?yīng)的研究, 一直在尋求適當(dāng)?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(shí)現(xiàn)點(diǎn)火, 前景誘人, 人類不必再為能源枯竭擔(dān)憂了。地球磁場的起源和逆轉(zhuǎn)也是一個(gè)磁流體力學(xué)問題.

物理化學(xué)流體力學(xué)。它是50年代由列維奇倡導(dǎo)的,研究同擴(kuò)散、滲析、返混、電泳,聚并、燃燒,流態(tài)化和毛細(xì)流等物理化學(xué)現(xiàn)象有關(guān)的流體力學(xué)分支。多相流專門研究兩相以上同種或異種化學(xué)成分物質(zhì)組成的混合物的流動(dòng).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(dòng),如果在流動(dòng)中顆粒碰撞占主導(dǎo)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(yīng)用。實(shí)際上,滲流的出現(xiàn)應(yīng)以上一世紀(jì)的達(dá)西定律為標(biāo)志,5O年代以后,進(jìn)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(xué)滲流,生物滲流。本世紀(jì)20年代建立了流變學(xué), 以后逐步形成非牛頓流體力學(xué), 包括變粘度、有屈服應(yīng)力、有時(shí)效和牯彈性的流體運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)與穩(wěn)定性,并應(yīng)用于塑料、化纖、彩膠、橡膠和造紙工業(yè)。

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