搜索流體力學(xué)發(fā)展概況和趨勢(shì)
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(bào)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(gè)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(duì)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(yùn)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(shí)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(gè)將這兩個(gè)區(qū)域結(jié)合起來的理論框架。邊界層這樣一個(gè)現(xiàn)在看來是顯而易見的現(xiàn)象,是德國(guó)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(xiàn)就在于他提出了處理這種把兩個(gè)物理機(jī)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(shí)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?yàn)檫@里面包含了更廣泛和深刻的內(nèi)容。由此又大大促進(jìn)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(shí)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(gè)。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(gè)世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的流體從下部加熱從而引起對(duì)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(gè)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(dòng)力學(xué)的典型例子及實(shí)驗(yàn)對(duì)象。
再如在本世紀(jì)60年代由流體對(duì)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(huì)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)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(dòng)力學(xué)發(fā)展的最重要的推動(dòng)力。就以亞音速的民航機(jī)為例,如果坐在一架波音747飛機(jī)上,想一下這種有400多人坐在其中,總重量超過300噸,總的長(zhǎng)寬有大半個(gè)足球場(chǎng)大的飛機(jī),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(huì)將出現(xiàn)更大、飛行速度更快的飛機(jī)。
同樣,也不可能想象,沒有流體力學(xué)的發(fā)展,能設(shè)計(jì)制造排水量超過50萬噸的船舶,能建造長(zhǎng)江三峽水利工程這種超大規(guī)模工程,能設(shè)計(jì)90萬kW汽輪機(jī)組,能建造每臺(tái)價(jià)值超過10億美元的海上采油平臺(tái),能進(jìn)行氣候的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào),等等。甚至天文上觀測(cè)到的一些宇宙現(xiàn)象,如星系螺旋結(jié)構(gòu)形成的機(jī)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(duì)魚類游動(dòng)原理的研究,發(fā)現(xiàn)了采用只是擺動(dòng)尾部(指身體大部不動(dòng))來產(chǎn)生推進(jìn)力的魚類,最好的尾型應(yīng)該是細(xì)長(zhǎng)的月牙型。這正是經(jīng)過幾億年進(jìn)化而形成的鯊魚和鯨魚的尾型,而這些魚類的游動(dòng)能力在魚類中是最好的。這就為生物學(xué)進(jìn)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(duì)整個(gè)科學(xué)的發(fā)展起了重要的作用,又對(duì)很多與國(guó)計(jì)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(qiáng)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(jī)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(jìn)國(guó)家建設(shè)和社會(huì)進(jìn)步,主要力量將會(huì)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(huì)沿以下三個(gè)方向發(fā)展:
(1) 在基礎(chǔ)理論研究方面,湍流機(jī)制將仍然是注意的中心
對(duì)于流動(dòng)穩(wěn)定性和混沌的研究也將會(huì)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(dòng)顯示技術(shù)和粒子成像測(cè)速法將對(duì)猝發(fā)、分離、失穩(wěn),以及各類渦的形成、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展、破裂、合并、重聯(lián)等現(xiàn)象和過程提供詳細(xì)的記錄,巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴,考慮到計(jì)算機(jī)性能的限度,需要發(fā)展高分辨率的算法和并行計(jì)算技術(shù),精心設(shè)計(jì)典型算例,將會(huì)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(dòng)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(duì)不同類型的流動(dòng)特點(diǎn),將會(huì)不斷構(gòu)造出新的理論模型,增強(qiáng)預(yù)測(cè)的能力。
(2) 在應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面,需要加強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(chǎng)或是某一單元過程,數(shù)值模擬將會(huì)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(dòng)等,已經(jīng)發(fā)展了一批大型計(jì)算軟件,今后這一發(fā)展勢(shì)頭將會(huì)更快,它不僅可以滿足實(shí)用的需要,也是一種為理論研究服務(wù)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)。
(3) 一些新的領(lǐng)域可能有大的發(fā)展
由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的需要,流體力學(xué)將會(huì)對(duì)全社會(huì)關(guān)心的生態(tài)環(huán)境的維護(hù)問題發(fā)揮積極的作用,重點(diǎn)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(yùn)動(dòng),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(huì)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(jìn)展,特別是在本世紀(jì)下半葉,由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)、數(shù)值計(jì)算手段和分析方法上的進(jìn)步,在多種非線性流動(dòng)以及力學(xué)和其他物理、化學(xué)效應(yīng)相耦合的流動(dòng)等方面呈現(xiàn)了豐富多采的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
在實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(cè)量技術(shù),流動(dòng)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(yàn)證新理論創(chuàng)造了條件。
計(jì)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(jì)算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場(chǎng)的高精度格式等。目前,計(jì)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(jìn)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(yùn)用于求解弱非線性問題。純粹數(shù)學(xué)中的泛函、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。
本世紀(jì)對(duì)流體力學(xué)中的一些基本流動(dòng)現(xiàn)象的研究取得了可喜的進(jìn)步,下面將分別敘述在湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、混沌、非線性波、渦運(yùn)動(dòng)、
流體力學(xué)中最普遍的現(xiàn)象是湍流,而湍流機(jī)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(jì)理論、模式理論直至今天的直接數(shù)值模擬等階段,對(duì)這一問題的認(rèn)識(shí)已大為深化。
40年代周培源指出必須同時(shí)聯(lián)立求解平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng),并提出用逐級(jí)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(shí)驗(yàn)相符的新結(jié)果。目前的工程計(jì)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中顯示出湍流小尺度的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)偏離高斯型,這些都說明湍流是一種確定性與隨機(jī)性、有序和無序并存的流動(dòng),改變了湍流是完全不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)中取得成效,考慮到湍流和相變動(dòng)力學(xué)之間存在某種相似性,而將改進(jìn)了的重整化群方法用于N-S方程。近年來已能預(yù)測(cè)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(jìn)一步的探討。
近年來運(yùn)用運(yùn)動(dòng)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(jī)制則要復(fù)雜得多,尚需作深入的研究。
由于計(jì)算機(jī)和計(jì)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(jìn)展。因?yàn)樗话藶榧僭O(shè)和經(jīng)驗(yàn)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(duì)湍流結(jié)構(gòu)的成因及演化過程不斷提供新的看法。
流動(dòng)穩(wěn)定性研究流動(dòng)從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變機(jī)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(dòng)(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(duì)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(shí)際不符,所以要考慮非平行性對(duì)擾動(dòng)演化的影響;人們不僅要研究擾動(dòng)的自發(fā)演化過程,而且要考慮外界擾動(dòng)如聲激發(fā)對(duì)流動(dòng)中擾動(dòng)發(fā)展的影響,這就是receptivity問題;近年來在分析時(shí)間模式或空間模式時(shí),發(fā)現(xiàn)二者與實(shí)際情況均有差異,從而提出了絕對(duì)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(dòng)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(dòng)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?yàn)槠矫鍯ouette流與圓管中的Hagen-Poiseuille流對(duì)線性擾動(dòng)是穩(wěn)定的,人們力圖從進(jìn)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(gè)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(duì)經(jīng)典的Benard對(duì)流與Taylor-Couette流的穩(wěn)定性進(jìn)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(zhǎng)等諸因素的影響,得到了不同的流動(dòng)圖案。
流動(dòng)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(duì)流不穩(wěn)定應(yīng)用于晶體生長(zhǎng)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(dòng)因?yàn)殡S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(duì)牛頓力學(xué)的看法,即經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被充分認(rèn)識(shí),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(bào)時(shí),從流體力學(xué)方程出發(fā)得到了一組簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)。洛倫茨方程具有一定的代表性,對(duì)有名的Benard熱對(duì)流問題作簡(jiǎn)化,也可得到這一方程。真實(shí)的Benard對(duì)流實(shí)驗(yàn)當(dāng)然要復(fù)雜得多,但是當(dāng)實(shí)驗(yàn)中控制加熱強(qiáng)度的參數(shù)超過某一臨界值時(shí)確實(shí)得到了混沌現(xiàn)象。流體中混沌運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)不僅加深了人們對(duì)天氣預(yù)報(bào)本質(zhì)的認(rèn)識(shí),也對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)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(diǎn)考察二維不可壓縮流動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面證實(shí)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(gè)完整的典型是在兩個(gè)偏心圓柱間粘性流體的低雷諾數(shù)流動(dòng),被理論和實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明存在混沌,而這類流動(dòng)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(duì)流體力學(xué)的學(xué)科發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的作用。
水波動(dòng)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(shí)發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象,即兩個(gè)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(jìn)展不僅被應(yīng)用于對(duì)水波的研究,也推動(dòng)了非線性光學(xué)、超導(dǎo)、等離子體物理等領(lǐng)域。
目前,對(duì)水波動(dòng)力學(xué)的非線性現(xiàn)象的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛,例如:強(qiáng)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(dòng)激勵(lì)容器中波的共振引起的分岔和混沌等。
由于國(guó)際上開發(fā)海洋和減輕自然災(zāi)害的需要,普遍加強(qiáng)了非線性波的研究和應(yīng)用。60年代,O.M. Phillips從湍流的級(jí)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(duì)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(shí)也在深化;在此基礎(chǔ)上,發(fā)展了第三代風(fēng)浪預(yù)報(bào)模式(WAM),可成功地預(yù)報(bào)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(jì)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(duì)海洋平臺(tái)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(shí)和預(yù)報(bào)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(jiǎn)明而生動(dòng)地概括了流體及其運(yùn)動(dòng)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(dòng)渦、分離渦和脫落渦等;層流向湍流的轉(zhuǎn)捩是旋渦運(yùn)動(dòng)的失穩(wěn);湍流運(yùn)動(dòng)實(shí)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(dòng)中最普遍的基本運(yùn)動(dòng)成分,渦量是描述流動(dòng)的一個(gè)基本量。60年代以來渦動(dòng)力學(xué)成為流體動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)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(gè)質(zhì)團(tuán),隨時(shí)計(jì)算其他質(zhì)團(tuán)的旋渦對(duì)這一質(zhì)團(tuán)的誘導(dǎo)速度,便能求出全部流場(chǎng)隨時(shí)間的變化。這就是最早的渦動(dòng)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(dòng)力學(xué)實(shí)質(zhì)。因?yàn)榱黧w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(shí)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(huì)對(duì)一系列重要流動(dòng)問題的求解以及對(duì)物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)起重大的作用。
近20年來渦動(dòng)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(yùn)動(dòng),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(duì)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(dòng)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(chǎng)是指:具有多種流動(dòng)狀態(tài)或結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)、多種物理效應(yīng)并存的流場(chǎng)等,例如波和渦相互作用的流場(chǎng)、激波和附面層相互干擾的流場(chǎng)、湍流脈動(dòng)噪聲等。
由于工程要求越來越高,特別是超聲速大型客機(jī)、現(xiàn)代航天器和航天飛機(jī)的發(fā)展要求,需要精確的全機(jī)計(jì)算。近十年來出現(xiàn)了不少有名的關(guān)于全機(jī)(包括航天飛機(jī))繞流、有化學(xué)反應(yīng)氣流繞全機(jī)的計(jì)算工作。這些工作都利用了超級(jí)計(jì)算機(jī),為復(fù)雜流場(chǎng)的計(jì)算指出了方向。
計(jì)算復(fù)雜流場(chǎng)一方面需要發(fā)展具有高分辨力的計(jì)算方法和具有高分辨力的流動(dòng)顯示及量測(cè)技術(shù);另一方面還要求對(duì)單一的非線性的基本流動(dòng)規(guī)律有更深入的認(rèn)識(shí)。否則對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析和總結(jié)仍會(huì)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(yùn)、反應(yīng)器中的多相流、飛行器穿過云層時(shí)水晶和水滴的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(chǎng)實(shí)測(cè)到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,設(shè)計(jì)和進(jìn)行合適的室內(nèi)模型試驗(yàn),用量綱分析方法整理出半經(jīng)驗(yàn)的公式。在計(jì)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(duì)于某些流動(dòng)圖案或機(jī)制可以做出定性的說明。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和并行算法的飛速發(fā)展,用這些方法進(jìn)行定量計(jì)算的日子也不會(huì)太遙遠(yuǎn)了。
非平衡流的研究主要有兩個(gè)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(diǎn)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(dá)10km/s,空氣動(dòng)力加熱引起的高溫使空氣的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能態(tài)得到激發(fā),產(chǎn)生離解,進(jìn)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(shí)間和流動(dòng)特征時(shí)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(jì)及化學(xué)反應(yīng)和熱輻射的分子運(yùn)動(dòng)論還很不完備,還不能達(dá)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?yàn)橛袃?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(shí),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(gè)重大進(jìn)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(kuò)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(shí)驗(yàn)的精確測(cè)定和進(jìn)行物理力學(xué)方面的研究。
在燃燒和反應(yīng)流動(dòng)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(dòng)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(jī)理的研究,流化床中流動(dòng)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過程的研究均涉及流動(dòng)、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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