現代流體力學的發展

2017-03-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

所謂現代流體力學指的是,用現代的理論方法、計算和實驗技術,研究同現代人類社會生產活動和生存條件緊密相關的流動問題的學科領域。所以,現代流體力學正處在一個用理論分析,數值計算,實驗模擬相結臺的方法,以非線性問題為重點,各分支學科同時并進的大發展時期。這一時期,漸近分析方法日臻成熟,已經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的延伸攝動級數理論擴大了適用的參數范圍。純粹數學中泛函,群論,拓撲學,尤其是微分動力系統的發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、雷諾數范圍典型流動現象的風洞、激波管、彈道靶以及水槽,水洞、轉盤等實驗設備, 發展r熱線技術,激光技術,超聲技術和速度、溫度、濃度及渦度的測量技術,流動顯示和數字化技術延長了人的感官,可以觀察新的物理現象,并獲得更多的信息。最重要的是,計算機的迅猛發展, 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,大量數據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,新興學科領域的出現也是十分自然的。在這一時期的主要成就如下:

計算流體力學已發展成熟,出現了有限差分,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,即穩定性理論,數值誤差耗散,色散原理,網格生成和自適應技術, 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值模擬中發揮了重大作用。前者主要用于航天飛機的設計,由于物體幾何形狀和流場極其復雜,涉及寬闊的流動范圍,要考慮內自由度激發和化學反應,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的研究,發現了孤立子現象,發展了求解非線性發展方程完整的理論和數值方法,并被廣泛應用于其它學科領域。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的流動相互作用是這一領域的研究前沿。非線性穩定性的研究主要針時轉捩問題,探討不穩定波的發展情況,用三波共振,二次不穩定來解釋K型流向渦結構和N型拉姆達渦結構的轉捩方式,用波包來研究湍流斑的形成。由于理論分析的局限性, 要結合數值方法才能描述轉捩的全過程。湍流的基礎研究從統計方法轉向擬序結構的研究, 因為擬序結構對于動量、能量、質量的傳輸起著決定性的作用,也便于控制。擬序結構可用流動顯示,條件采樣識辨, 基于Lumley的物理思想, 近年來,Sirovich提出的POD 方法從數學上定義了擬序結構,并在理論上證明了可用最少量的摸態來近似描述無限維動力系統,這是理論分析和數據處理的重要手段。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展前景的。目前, 為了要研究間歇現象,解釋非高斯分布,人們又對統計方法與確定PDF發生了興趣。

出現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,微循環通過細胞膜的傳質, 流動的尺度現象(如法羅伊斯一林奎斯特效應)是人體生理流動的的特征, 這方面的研究為發展生物醫學工程(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和層結效應,包括泰勒柱、埃克曼層、地轉近似、羅斯貝波、慣性渡、內波、雙擴散、異重流等現象,深化了人類對自然現象的認識。還發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律,包括磁流體力學波與穩定性。雖然低溫等離子體早已在工業中得到應用,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, 一直在尋求適當的磁場位形與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,流態化和毛細流等物理化學現象有關的流體力學分支。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,冶煉和石油工業中有廣泛的應用。實際上,滲流的出現應以上一世紀的達西定律為標志,5O年代以后,進一步發展了非等溫、非均勻介質,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關系, 揭示其與介質內部鯖掏, 如高分子鏈、蠟晶結構、懸浮固體顆粒、纖維、血球的聯系。描述非牛頓流體的運動與穩定性,并應用于塑料、化纖、彩膠、橡膠和造紙工業。

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