流體力學(xué)有哪些值得研究的領(lǐng)域？

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

湍流理論的發(fā)展,經(jīng)歷了唯象理論,統(tǒng)計理論,模式理論等階段。其中的模式理論,雖然帶有一部分經(jīng)驗常數(shù),但卻是目前唯一可以在工程技術(shù)問題中解決具體問題的理論。今后仍應(yīng)不斷地研究改進(jìn)以解決更多的工程技術(shù)問題。統(tǒng)計理論主要適用于均勻各向同性湍流,更多的是著眼于理解湍流的物理機制。近年來由于從數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)了一些獨特的現(xiàn)象,在西方國家又吸引了一批力學(xué)家和理論物理學(xué)家,提出了一套新的理論模型,取得了新的重要進(jìn)展。

60年代末確認(rèn)的在剪切湍流中存在相干或擬序結(jié)構(gòu),為湍流研究開辟了一個重要方向,從此湍流被公認(rèn)為具有確定性與隨機性,有序和無序并存的系統(tǒng)。近年來,由于實驗手段及數(shù)值模擬的進(jìn)展,對其現(xiàn)象已有較多的認(rèn)識。已經(jīng)提出了一些理論來解釋其生成的原因。相干結(jié)構(gòu)是一種有組織的大尺度結(jié)構(gòu),在湍流的輸運中起著主導(dǎo)作用,對其控制或影響,可以改變湍流的某些性質(zhì),例如傳熱能力或摩阻。人們開始改變了長期以來認(rèn)為物體愈光滑,在流體中運動時所受的阻力就愈小的概念。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在物體表面上刻劃上適當(dāng)形狀的溝槽,反而可以降低阻力。這一技術(shù),已經(jīng)在大型遠(yuǎn)程客輪、賽艇,甚至于游泳衣上試用并證實是有效的。

相干結(jié)構(gòu)的研究,還可能在對我國有特殊意義的泥沙問題的研究上提供新的思路。傳統(tǒng)的理論用河流底層的平均速度作為已沉降泥沙能否被沖起的判據(jù)。而實際更有意義的是河流底層的相干結(jié)構(gòu)在起動泥沙中起主導(dǎo)作用。在實際觀測中發(fā)現(xiàn)的底層泥沙成塊起動而不是一大片同時起動,是這種觀點的一個有力印證。

流動穩(wěn)定性理論是研究從層流變?yōu)橥牧鳈C理的理論。多年來也取得了很大的進(jìn)展。其線性理論的研究對應(yīng)用數(shù)學(xué)中的“漸近匹配法”也起了很大的推動作用,其非線性理論的發(fā)展,則為現(xiàn)正蓬勃發(fā)展的非線性科學(xué)提供了重要的分析手段。它的發(fā)展,還有不少事先意想不到的副產(chǎn)品。例如自由剪切流中相干結(jié)構(gòu)的成因,已能用流動穩(wěn)定性理論成功地加以解釋,從而為其控制提供了理論指導(dǎo)。在航空航天技術(shù)中的渦系的生成與控制,以及為使?jié)撏щ[身而降低或抑制其噪聲所牽涉到的渦系控制等,也都有可能由流動穩(wěn)定性理論提供機理性的指導(dǎo)。即使是壁湍流中相干結(jié)構(gòu)的生成,也與流動不穩(wěn)定性有關(guān)。因此,作為湍流研究的一個重要方面,流動穩(wěn)定性的研究也應(yīng)放在一個重要方面。

隨著計算機科學(xué)的飛速發(fā)展,湍流的數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究湍流運動的一個重要分支。通過數(shù)值計算,復(fù)雜的湍流運動有可能在計算機中模擬出來,如前面提到的相干結(jié)構(gòu)等,數(shù)值模擬為研究湍流機理、湍流控制與湍流利用提供了有效手段,湍流數(shù)值模擬因而也成為目前國際上湍流研究的主流之一。湍流的數(shù)值模擬一般可劃分為直接數(shù)值模擬、大渦模擬及以二階矩模式為代表的模式理論,后者又可看作是特大渦模擬。直接數(shù)值模擬的研究成果已經(jīng)揭示了物體表面如槽道湍流的運動特性,并為建立合理的模式理論提供了依據(jù);直接數(shù)值模擬由于受計算機硬件的限制,應(yīng)用它來解決工業(yè)問題尚有很長的一段路要走。然而,湍流的模式理論,以及在不久的將來的大渦模擬,則可直接服務(wù)于工程流動問題。因此,發(fā)展湍流模式理論與大渦模擬方法在我國有著重要而實際的意義。

我國湍流研究在周培源教授開創(chuàng)性工作的帶動下,已形成了一批力量并取得了一批成果。幾個高等學(xué)校和力學(xué)研究所在湍流的基礎(chǔ)研究上已形成了各自的特色,也有一些高等學(xué)校和與工程有關(guān)的研究院所則在湍流的工程計算上投入了力量。由于湍流現(xiàn)象的普遍性,絕大部分運動的空氣和水流都是湍流,所以湍流研究的任何一個重要進(jìn)展,都會大大提高人類認(rèn)識自然的能力,也會對一大片工程技術(shù)問題的進(jìn)展提供有力的手段。所以我國應(yīng)當(dāng)并且也有可能把現(xiàn)有的力量組織起來,協(xié)同攻關(guān),以期在不遠(yuǎn)的將來,使我國在湍流研究上進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

分離和旋渦運動是飛行器、船艦運動中最普遍的現(xiàn)象。特別是現(xiàn)在對作戰(zhàn)飛機提出了越來越高的機動性及敏捷性的要求,這就使飛機經(jīng)常在大攻角和非定常的狀態(tài)下飛行,不可避免地會產(chǎn)生大范圍的分離及更復(fù)雜的渦系,極易造成飛機受力的不對稱及失去控制。目前對定常條件下渦系的生成機制及其穩(wěn)定性已有一定的認(rèn)識,但在非定常情況下的認(rèn)識還很不夠。對一些已觀察到的現(xiàn)象還不能提供機理性的說明。

大攻角下流場及渦系失去對稱性以及非定常飛行時氣動力隨攻角變化滯后現(xiàn)象等等,都是湍流運動的結(jié)果,也都是典型的分岔和非線性現(xiàn)象。對其研究不能指望用一般的已有的非線性方法或理論來解決。但反過來,這些問題的研究,卻有可能對整個非線性科學(xué)提供新的內(nèi)容和手段。

對于流動的分離,經(jīng)過多年的努力,包括我國科學(xué)家的工作,對在定常情況下分離的機制及控制,已有比較充分的了解。但在非定常情況,甚至連分離的判據(jù)還沒有一個公認(rèn)的說法。而流動的分離,是很多非線性現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

同樣,在定常情況下,一些渦系的產(chǎn)生及其穩(wěn)定性,已有一些認(rèn)識。特別是前述流動穩(wěn)定性理論的進(jìn)展,提供了很有用的工具。但在非定常情況下渦系的生成及其穩(wěn)定性,就認(rèn)識得很不深刻。在這方面,我們在充分利用現(xiàn)代計算技術(shù)的前提下,應(yīng)該借鑒前蘇聯(lián)的經(jīng)驗。前蘇聯(lián)的計算手段不如美國,但他們卻已經(jīng)制造出了其機動性和敏捷性令西方國家吃驚的飛機。其根源就是前蘇聯(lián)一貫重視流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究,對流動的機理有深刻的理解。

空-空導(dǎo)彈的高機動性要求,同樣會導(dǎo)致上面所述的各種現(xiàn)象。我們?nèi)绻恢匾曔@方面的基礎(chǔ)研究,必然導(dǎo)致我國在這方面的落后。在未來可能發(fā)生的戰(zhàn)爭中,就要吃大虧。

未來大型超音速民航機的發(fā)展,降低噪聲是能否使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。噪聲的最主要來源當(dāng)然是噴氣噪聲(順便提一下,50年代提出的流體動力噪聲理論,與傳統(tǒng)的聲學(xué)有很大的不同。實際上開辟了聲學(xué)研究的一大領(lǐng)域。這也可以說是流體力學(xué)對物理一個重要分支——聲學(xué)的重要貢獻(xiàn))?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn),噴氣噪聲與尾噴管噴出的射流中產(chǎn)生的大尺度相干結(jié)構(gòu)有關(guān)。在超音速飛行,甚至在高亞音速飛行時,尾噴管射流中可能產(chǎn)生由相干結(jié)構(gòu)演化導(dǎo)致的周期性的“小激波”,可能是重要的聲源。相干結(jié)構(gòu)實際是某種形式的渦,這里再一次提出了研究渦系形成機制并對其進(jìn)行控制的重要性。

目前我國在基金委的支持下,已經(jīng)連續(xù)兩次設(shè)立了重大項目,目標(biāo)越來越明確,并已取得了一批成果,應(yīng)該堅持下去。

船舶制造已有長遠(yuǎn)的歷史。似乎對一般船舶,從流體力學(xué)角度看,已經(jīng)不存在什么原則上的困難。但事實并非如此,船舶行進(jìn)時所產(chǎn)生的頭波阻力,至今也沒有準(zhǔn)確的算法。以至于還要進(jìn)行費時費力的船池拖曳實驗。其根源在于自由表面條件的非線性,船舶邊界層中湍流經(jīng)常處于非平衡狀態(tài)以及在局部地區(qū)形成了碎浪,使得理論處理十分困難。有理由提出,在現(xiàn)代計算技術(shù)飛速發(fā)展的條件下,我們應(yīng)該下力氣克服這一困難,使船舶阻力的計算有一個可靠的方法,使船舶的設(shè)計轉(zhuǎn)到更現(xiàn)代化的手段上來。

船在大浪中航行時,會產(chǎn)生強烈的砰擊作用。即船艏先被大浪抬起,繼而向下而進(jìn)入下一個波峰之下,大量的水涌上或拍擊到甲板上。這會造成船的前部相繼受到巨大的正、負(fù)彎矩而導(dǎo)致破壞。自1987年以來,已有十多艘在北海航行的巨輪受到破壞。對這種砰擊所產(chǎn)生的載荷,至今沒有一個計算辦法,靠加大安全系數(shù)的辦法是一個極不經(jīng)濟的辦法。若用提高鋼板強度要求的辦法來解決,則因一艘大船所用的鋼材要以萬噸計,顯然是很不經(jīng)濟的途徑,因此這一問題值得認(rèn)真研究。整個問題,必須包含正、反兩個方面。即由已知有旋流場或海流,推出波浪參數(shù)變化,同時要研究從已知的波譜變化,反推有旋流場及海流。并進(jìn)而推導(dǎo)產(chǎn)生包含有旋流場的潛艇航向、航速、深度及位置,這自然要包括潛艇航行時尾跡特性及其演化的研究。所以這是一個內(nèi)容豐富而復(fù)雜的問題,在學(xué)術(shù)上和應(yīng)用前景上均有重要意義。

潛艇航行時,會產(chǎn)生尾流,從而在艇后產(chǎn)生一有旋區(qū)。傳統(tǒng)的波浪理論都是在流體無旋的假定下進(jìn)行的。波浪從無旋區(qū)向有旋區(qū)傳播,其參數(shù)會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。如能了解波浪參數(shù)的變化,則有可能由空中探測到的波譜反演出潛艇的航跡,從而為探測潛艇提供一個新的方法。

為防潛艇被探測,還要盡量減少其噪聲。在低速航行時,主要噪聲源是螺旋槳及艇體的振動。這些振動與螺旋漿后產(chǎn)生的各種渦系及螺旋槳與艇體凸出體產(chǎn)生尾流,包含其中可能有渦系相互作用有關(guān)。因而從機理上深入研究這些渦系產(chǎn)生的原因及其控制,是一個重要的方向。這方面盡管實踐的經(jīng)驗很多,但從機理上研究的還不多。

當(dāng)前,沿海大國把注意力轉(zhuǎn)向新型高速大型“船舶”的發(fā)展。原蘇聯(lián)已建成名為“里海怪物”的新“船舶”,可載人400多,時速達(dá)350km/h。這種“船舶”從水中航行開始,迅速升出水面,大部分時間貼近水面飛行,好處是: 既增加升力,又對雷達(dá)探測起到隱身作用。要研究的流體力學(xué)問題有水面的增升效應(yīng)以及與波浪的相互作用。

波浪理論也有很長的歷史,如前所述,其發(fā)展對非線性科學(xué)產(chǎn)生了重要的影響。特別是孤立波,波的共振,波的各種不穩(wěn)定性等是非線性科學(xué)的有機組成部分。

但是在波浪理論中,還有一大塊有待開發(fā)的領(lǐng)域。這就是風(fēng)浪相互作用問題。這是在大洋上每時每刻都在發(fā)生的現(xiàn)象。它有兩個重要方面。一方面,風(fēng)的作用產(chǎn)生了浪,浪的破碎在水表層(>10米量級)產(chǎn)生了湍流混合層。另一方面,還伴隨著海氣間熱量及質(zhì)量的交換。這是整個地球環(huán)流的一個重要環(huán)節(jié),是長期天氣與氣候預(yù)報中必須了解的一環(huán)。這一問題由于水波的非線性以及包含有碎浪、白帽、表層湍流、風(fēng)的陣發(fā)性等復(fù)雜因素,目前還沒有很好的理論予以解釋。甚至于在僅含規(guī)則波而且不包含熱量交換的情況下,也還沒有一個令人滿意的理論。所以從研究大氣環(huán)流的需要看,只能靠一些現(xiàn)場觀測和經(jīng)驗公式來處理。影響現(xiàn)場觀測的因素太多,不可能得到可靠的因果關(guān)系,至少對其機理應(yīng)該進(jìn)行更深入的研究,然后才有可能從實測資料得到更可靠的規(guī)律。過去的研究,缺少系統(tǒng)的實驗室研究,特別是包含熱量、質(zhì)量交換時的研究。有理由相信,如果能在實驗室中建造能包含熱量、質(zhì)量交換的風(fēng)浪槽,把理論研究和實驗研究緊密結(jié)合起來,能夠把這一困難問題的解決,向前推進(jìn)一大步。

風(fēng)浪相互作用的研究還是最近國際上正在探索的通過遙測波譜來探測海面上20米范圍內(nèi)風(fēng)速的基礎(chǔ)。

在石油化工等許多重要的產(chǎn)業(yè)部門涉及到大量的多相流及非牛頓流問題。比如:化工是國民經(jīng)濟中一個極為重要的產(chǎn)業(yè),既提供多種產(chǎn)業(yè)所需的原材料,也提供很多中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品。而化工生產(chǎn)中牽涉到大量的多相流及非牛頓流問題。

一個化工產(chǎn)品,從實驗室開始到大規(guī)模生產(chǎn),其中要經(jīng)過小試、中試等階段。這主要不是因為化學(xué)反應(yīng)不清楚,而是流動狀態(tài)不清楚。據(jù)說美國在某些情況下,已能免去小試、中試等過程,原因就在于他們對某些設(shè)備的流體力學(xué)問題弄得比較清楚。

與化工有關(guān)的問題多半是多相的、多組分的,并伴有相變及化學(xué)反應(yīng)的,流動邊界也是極為復(fù)雜的。例如各種塔板上一般有很多凸起的帶帽的孔,液相在塔板上流,氣相則從下頂起蓋帽,穿過孔洞流上來,在此過程中完成傳質(zhì)、傳熱或其它物理、化學(xué)過程,其復(fù)雜性可想而知。因此要想徹底弄清,得到一個普適的公式是不現(xiàn)實的。更現(xiàn)實的方法是針對一些典型的設(shè)備,進(jìn)行一些深入的、機理性的研究,并配合必要的實驗及經(jīng)驗,這樣是有可能取得重要進(jìn)展的。

又如在攪拌器中力圖把物料混合均勻。近年來,由于流體力學(xué)基礎(chǔ)研究取得的進(jìn)展,已使人們認(rèn)識到混合實驗上有三個層次。首先是大尺度運動使物料達(dá)到大范圍均勻化,同時小尺度結(jié)構(gòu)使物料間的接觸面迅速增加,而由分子擴散完成最終的混合或使不同組分物質(zhì)相互擴散滲透而產(chǎn)生所需的化學(xué)反應(yīng)。這個看法看起來似乎是顯而易見的,但對各層次進(jìn)行定量描述則必須對流動,包括湍流有深入了解。這方面還有很多工作要做。近年來發(fā)展起來的分形和混沌理論,實際上已和這類問題結(jié)合起來了。

這里特別應(yīng)該強調(diào)的是: 近年來,以電流變液為代表的新一代智能材料引起了人們極大的興趣,這是一個非牛頓流體中有廣泛應(yīng)用前景的新的家族。作為一種固液兩相懸浮液,在外加電場作用下,電流變液的粘性會迅速增大,從牛頓流體變?yōu)榉桥ｎD流體。其響應(yīng)時間一般僅為毫秒量級,并且是可逆的。電流變液所呈現(xiàn)的奇特的力學(xué)特性和流動規(guī)律給流體力學(xué)的研究提出了一系列新的問題,啟示我們通過流體力學(xué)和其它學(xué)科的不斷結(jié)合開拓出新的概念和交叉學(xué)科。由于電流變液的廣闊應(yīng)用前景,作為一類新穎的粘性可控的非牛頓流體,今后應(yīng)大力加強對這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

由于計算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值計算作為一種研究手段,已越來越多地滲入到各種學(xué)科中去。反過來,各種問題的需要,又促進(jìn)了計算方法的研究和發(fā)展。在這方面,力學(xué)起著十分突出的作用。以結(jié)構(gòu)力學(xué)為起點而興起的有限元方法,在固體力學(xué)中起著重要的作用,并早已推廣到很多其他學(xué)科中去了,由于流體力學(xué)計算的需要,有限差分法的發(fā)展則起了決定性作用。為了計算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場,已經(jīng)發(fā)展了各種高精度、高分辨率、無振蕩的格式及其理論,并已在實際中得到應(yīng)用。這方面仍需進(jìn)一步的發(fā)展。在將現(xiàn)有基本方法用于真實復(fù)雜物體繞流計算方面,在網(wǎng)格生成和計算方法上仍有待突破,這是計算流體力學(xué)能否解決實際復(fù)雜問題的關(guān)鍵。湍流數(shù)值模擬的需要,對計算機的速度和內(nèi)存,提出了更高的要求?？磥韱渭儚奶岣邫C器速度及內(nèi)存已無法滿足要求,因此已有人嘗試其他的途徑。例如玻爾茲曼格子氣的方法,在細(xì)觀的層次考慮物理機制,將流體力學(xué)問題離散化使每一步的計算大大簡化?？傊?湍流數(shù)值模擬方法的研究將仍是十分活躍的研究領(lǐng)域。

有可動邊界,如水波等的自由表面問題,邊界條件引起的非線性影響不能忽略,其計算方法至今仍是一個難題,有待繼續(xù)研究。

隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展,已提出大規(guī)模并行運算的設(shè)想。當(dāng)前應(yīng)注意針對某幾類典型問題,研究和設(shè)計快速有效的并行算法及與之配套的專用的并行計算機?？梢栽O(shè)想,將來有一天,也許可以為計算網(wǎng)格(不管用什么方法離散化)的每一個節(jié)點設(shè)置一個微處理器,這種計算實際上幾乎是實時進(jìn)行的,與真實流動一樣。

我們相信,將流體力學(xué)計算的需要,和計算技術(shù)的硬件及軟件技術(shù)發(fā)展結(jié)合起來,有可能在科學(xué)計算上取得重大的突破。

由于計算機技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、圖像技術(shù)等方面的不斷進(jìn)步,大大推動了流體力學(xué)實驗技術(shù)的發(fā)展。粒子圖像測速技術(shù)(PIV)的空間分辨率已達(dá)毫米量級,精度可達(dá)0.2%。目前該方法仍在研究中,已經(jīng)注意三維PIV技術(shù)的研究。實時PIV(DPIV)技術(shù)也是一個很有吸引力的研究方向。粒子跡線測速(PTV)技術(shù)在二維測量中已成熟,其三維技術(shù)也是國際上的熱門課題。PIV和PTV作為全流場測試技術(shù),對認(rèn)識流場時空結(jié)構(gòu)像湍流、非定常流等復(fù)雜流動提供了有效的測量手段,值得加強這些方面的研究。在測速方面,激光測速技術(shù)是另一有前景的發(fā)展方向。在壓力測量方面,發(fā)展高精度、高靈敏度、動態(tài)性能好、尺寸小及各種壓力量程的壓力傳感器仍然是研究的重點。在密度測量和溫度測量方面也有進(jìn)展。對復(fù)雜流動空間密度場的定量測量仍然是一個十分困難的問題,應(yīng)加強研究。如何將近10年來發(fā)展起來的熱圖技術(shù)(thermography)更好地用于溫度場測量也是一個重要的研究方向。

流體力學(xué)問題的研究越來越深,對實驗技術(shù)的要求也越來越高,尤其在三維復(fù)雜流動及實時測量方面,我們期待取得新的進(jìn)展。

滲流指多孔介質(zhì)內(nèi)的流體運動,滲流的研究從地下水的流動開始。經(jīng)典的達(dá)西(Darcy)公式在水利界早就得到廣泛應(yīng)用,至今地下水的滲流仍是水利工程建設(shè)、地下水的利用、城市地面沉降、沿海地區(qū)的海水入浸等一大批與國計民生有重大關(guān)系的問題所必須研究和解決的課題。

但近代滲流力學(xué)的發(fā)展,更多地是與能源工業(yè),特別是石油工業(yè)聯(lián)系在一起的。簡單地開采只能把地下儲油的一小部分開采出來,要想提高采油率,不得不對石油的滲流以及在注水或其他表面活性劑后的多相流的機理的細(xì)觀水平上進(jìn)行深入的研究。這就使?jié)B流的研究水平大大提高了一步。

我國科學(xué)家通過由他們創(chuàng)造的滲流觀測模型,觀測到了存在幾種不同的水驅(qū)油機制,以及添加不同表面活性劑所起的不同的作用。近代非線性科學(xué)中分形和混沌理論的引入,更使這方面的研究有了新的思路。目前這方面的研究,大體上還處于定性描述的階段,但已對我國石油開采做出了重要的貢獻(xiàn)。如能進(jìn)一步開展工作,對其規(guī)律有進(jìn)一步的了解,對我國這樣石油資源相對并不富裕的國家將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

煤層氣的開采,是另一種潛在能源,在美國已初步形成產(chǎn)業(yè)。我國煤藏十分豐富,在這方面的前景十分可觀。但煤層氣田和常規(guī)天然氣田有許多不同之處,一系列問題急需解決,滲流物理機制和其力學(xué)規(guī)律首當(dāng)其沖。例如,絕大部分氣都緊緊吸附在煤層孔隙及微縫的內(nèi)表面,而不是簡單地充滿孔隙,很多基礎(chǔ)問題需要研究。

滲流力學(xué)不但和上述各種工程和工業(yè)有關(guān),而且也是了解很多生物體內(nèi)體液流動機理的基礎(chǔ)。例如高大樹木從根系吸收水分后如何輸運到離地幾十米的枝葉,至今仍是個謎。動物體內(nèi)的體液除了一部分明顯地在管道中,如血管中流動外,大部分是以滲流形式在運動,其流動規(guī)律已經(jīng)肯定不服從傳統(tǒng)的達(dá)西定律。對其研究將對生命科學(xué)和生物技術(shù)提供重要的理論基礎(chǔ)。

還有一些對國民經(jīng)濟有重要意義的產(chǎn)業(yè)都有其各自的滲流問題。如青海鹽湖鹵的滲流伴有結(jié)晶過程,地下熱能的開發(fā)中的滲流伴有相變等等。在地學(xué)中,礦液在地下巖石中的輸運、集中是成礦過程的一個重要部分,核廢料儲存中有關(guān)的滲流問題,都牽涉到液體滲流和巖石斷裂的相互作用,具有重要的理論意義。所以,滲流力學(xué)有著重要的理論與應(yīng)用價值。

這是近年發(fā)展航天飛行器提出的新的重要流動問題。有兩個應(yīng)用方面,一是研究飛行器高超聲速飛行時,外部高溫氣流產(chǎn)生的氣動力、氣動熱和等離子體環(huán)境的計算。這些都是氣動設(shè)計和通訊設(shè)計所需的。二是研究吸氣式發(fā)動機內(nèi)H2、O2氣體的流動,包括點火、燃燒、吸氣和排氣,這是設(shè)計吸氣式發(fā)動機所需的。

在60年代,對有化學(xué)反應(yīng)的高溫氣流已作了許多研究。但當(dāng)時僅考慮了化學(xué)反應(yīng)非平衡效應(yīng),而熱力學(xué)上則假定是平衡的。這對再入導(dǎo)彈這類飛行器,其真實氣體效應(yīng)不太顯著的情況是可以的。當(dāng)今發(fā)展具有升力的航天飛機,真實氣體效應(yīng)相當(dāng)重要。此時熱平衡的假定常常帶來顯著偏差,必須考慮熱和化學(xué)均為非平衡的流動。與此對應(yīng),何種化學(xué)反應(yīng)模式最為合適,也提出了與60年代不同的見解。這就是當(dāng)今高溫空氣動力學(xué)正在探索的熱、化學(xué)非平衡流的模式問題。目前已提出了兩方程、三方程及多方程模式,何者合宜,與之相應(yīng)還有各種溫度的計算問題,都需要研究。在H2、O2燃燒流動中,由于過去研究不多,模式問題更為突出,同時,超聲速流中H2、O2氣體的混合問題、點火問題都急待解決,需要從流體力學(xué)出發(fā)研究H2、O2最佳混合方式及點火方式。

同時,描述熱、化學(xué)非平衡流動的方程組是很復(fù)雜的,如何快速、有效地求解則是另一個重要問題。困難還在于方程組的剛性及多個方程必須耦合計算。

第三個方面是要研究非平衡流動的局部模擬。在現(xiàn)有條件下,全模擬是做不到的。但如能提出某些局部模擬規(guī)則,對開展實驗研究是重要的。

開展熱、化學(xué)非平衡流的研究,需要反應(yīng)的化學(xué)動力學(xué)常數(shù)和熱物理參數(shù),還需研究表面催化效應(yīng),這些都要物理力學(xué)的幫助。

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