现代流体力学探讨及其未来发展浅析

2018-11-22 10:51吴晓龙
中国科技纵横 2018年20期
关键词:流体力学应用领域技术特点

吴晓龙

摘 要:二十世纪以后,流体力学无论是从自身技术研究还是工程广泛应用方面均进入一个前所未有的大发展时期。首先,阐述流体力学及支撑其的基本定律,把握其理论范畴和特点;其次,研究借助流体力学所应用的领域,总结其工程经验;最后,结合当下运用流体力学的情况,简要分析未来流体力学技术层面上的发展趋势。

关键词:流体力学;技术特点;应用领域;发展趋势

中图分类号:O35 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)20-0216-02

1 前言

随着技术水平日益提高和生产工具不断革新,相关的现代流体力学研究工作被极大地推动,流体力学的理论体系也充分得到了验证和完善。同时,现代流体力学广泛应用于与人民生活息息相关的各行各业,为人类社会的向前发展提供了强有力的支撑[1]。

下面,重点从三个维度解读和研究:了解什么是流体力学及其典型支撑理论,掌握流体力学应用于哪些领域,推断流体力学的未来发展趋势。

2 流体力学及其典型理论

2.1 流体力学定义

流体力学,是用以研究无固定形状且具备易于流动属性物体(简称:流体)的力学运动规律及其相关应用的学科[2]。在流体力学中,受到各种力影响下的主要研究和分析内容包含流体本身形态,流体与固体壁面,流体和流体间,流体与其他运动形态等。

作为力学中一个重要分支的流体力学,主要研究其静止和运动两种典型状态、流体和固体界壁间相互作用时的流动规律。

研究流体力学的依托的基础主要是牛顿运动定律和质量守恒定律,另外还会借助到热力学、宏观电动力学、高等数学、物理学、化学等相关基础理论。

2.2 流体的基本属性解析

为了更好地理解流体,下面对流体的基本属性进行解读,具体表1所示。

2.3 流体依循的理论定律

为了研究流体的运动规律,通常从质量守恒定律、牛顿运动定律(动量定理)和能量守恒定律(热力学第一定律和热力学第二定律)等方面入手。

2.3.1 质量守恒定律

众所周知,物体的质量可以以不同形式存在,但不管经历什么形式的运动,物体的质量总是不变的。将以上的质量守恒定律应用在流体力学当中,如果单位时间内流体的质量增加,那么流体的质量增量等同于以上时间间隔内并入该流体的净质量[3]。假设流体体积为V,那么流体的质量守恒定律数学公式如下。

(1)

2.3.2 动量定理

借助动量定理,在惯性参考性中,流体的动量时间变化率等于作用在物体上的外力的总和[4]。假设流体的速度为v,那么流體的动量计算方式如下。

(2)

在公式(2)中,F为作用在单位质量上的体积力,T[N]是法向为N的单位面积上的接触面力,S为体积V的表面。

2.3.3 热力学第一定律

简而言之,能量是物质做功大小的度量。通常情况下,流体的能量涵盖了动能、内能和重力势能。依据热力学第一定律[5],流体自身能量计算方式如下。

(3)

在公式(3)中,E表示流体所携带的能量,表示单位时间内的流体所承受的外力,J表示单位时间内流体自身的热量。

2.3.4 热力学第二定律

受到外界热传导等现象后,流体本身将会作出相应的反应并发生变化。根据热力学第二定律[6],流体自身响应计算方式如下。

(4)

在公式(4)中,S为熵,δJ为单位流体接收的总热量,T为温度。

3 流体力学的应用

随着国内外科学技术不断更新和科学水平日益提高,现代流体力学应用的领域越来越广泛。目前,流体力学主要的应用领域主要包含能源与环境、交通运输、工业设计、信息与控制、生物医学等[7]。

3.1 能源与环境

能源泛指可再生能源和不可再生能源。在能源应用方面,通常利用流体力学来指导和设计能源在其应用全生命周期中的科学采能、储能和用能环节。比如:石油、煤浆的传输管道设计需要考虑如何适用于不同流体形态的流转问题;天然气的高效燃烧进而产出优质能工作需要考虑射流技术,而射流技术又与流体本身属性息息相关。

同时,随着人类社会进程的不断向前推进,能源的不合理开采和使用问题造成了环境的失衡和恶化的后果。全球性的环境整顿、治理和调优过程可以归结为环境保护的行为规范指南,而此行为属性恰恰与流体行为相吻合。比如,我国当下的雾霾消除问题是一个利用流体力学分析的环境修复系统性工程。

3.2 交通运输

涉及到交通运输领域,不得不提到中国的高铁、日本的新干线,正是铁路运输的提速变革,大大地影响了人类社会的出行格局,同时为未来的出行选择提出了可参考性的依据。以高铁为例,辐射目前我国的整个交通运输领域,“交通流”的概念已得到不同交通运输行业的应用和推广。结合交通流,依托流体力学,构建其自身特点的运输模型。根据时空特点,将流体力学的科学属性植入到的目前交通中,指导和预判交通走势,为后续需求的运输提前做规划。

3.3 工业设计

从能量守恒的角度上分析,当下很多行业借助流体力学建立数学模型,打造功率消耗最小代价的产品。

为了将工业设计出来的固体产品具备流动性,以减少空气阻力和表面压强,传统的汽车行业在外观设计基本上如出一辙地采用满足流体力学属性的设计理念,将汽车的外观的流线设计赋予流体属性。同时,在高科技密集程度更高的航天航空领域,著名的“无粘不可压缩流体位势流”理论已成功应用于机翼设计环节中。未来,工业设计和流体力学的高度融合,将会革命性地实现工业领域中跨越式发展。

3.4 信息与控制

在信息与控制行业,重点围绕微电子技术和测控技术开展的各项研究、生产和应用。涉及微电子行业,不得不提及中国芯和集成电路。当下,正值中美贸易战,如何在信息领域胜出甚至未来在全球信息行业中占主导地位,不得不从基础性技术中去提炼和挖掘新的突破点。不论芯片自主设计或是集成电路安全可控,都可以归结为“电子流”的缜密设计。电力流的势能效应完全可以利用流体力学的热力学定律进行量化和优化。

3.5 生物医学

当前,无论是临床实验抑或药理研究,依托血液为测试载体是主流方向。另外,血液还肩负着生物本体新陈代谢的职责。

众所周知,血液本质上属于流体。借助对血液的分析与研究,完全可以套用日益成熟的流体力学。结合生物医学和流体力学,目前已衍生出交叉学科——生物流体力学。生物流体力学主要研究动物和人体内循环、呼吸系统的生理流体(如血液、气体、尿液、淋巴液和其他体液等)的流体力学问题;研究主要包括以下五大分支:生理流动及流体力学(基本探究)、连续介质力学(宏观理论基础)、血液流变与心血管系统力学(生物学基本基础)、生物流体动力学、其他生理学与力学问题。

4 流体力学未来发展趋势

随着目前流体力学基础性學科不断深化和借助流体力学扩展应用的领域不断增加,未来流体力学发展趋势将会大体分为两大方向。方向一:面向流体力学的理论研究;方向二:面向应用的流体力学支撑。

4.1 面向流体力学的理论研究

通常情况下,流体力学的理论研究主要难点在于模型的建立。检验流体力学理论及推理优劣的手段之一是借用数学模型衡量。通过构建流体力学的数学模型,模拟仿真场景,检验算法的普适性、鲁棒性,最终将优胜劣汰的流体力学理论保留下来。

首先,明确建立流体力学理论体系库。其一,建立算法库,将优先差分、有限元、有限分析、谱方法和辛算法(保哈密顿系统的差分法);其二,建立方法库,将稳定性理论、数值耗散和色散分析、网格生成和自适应技术、迭代和加速收敛方法建库。

其次,明确流体力学理论研究对象库。基于流体流动对象分析和拓展,主要打造湍流对象库、流体稳定对象库、混沌对象库、非线性波动对象库、涡运动对象库。

最后,利用中间件技术将流体力学算法模型进行封装。通过中间价技术将流体力学模型进行拓展和互联,以松耦合的方式将流体力学算法模型进行拓扑关系进行管理。

4.2 面向应用的流体力学支撑

面向应用的流体力学在技术方面的支撑,形象地赋予流体本身“脑”和“躯干”的功能。

“脑”即将流体力学中注入自主可控的思想。借助人工智能算法,提高流体本身的计算能力,为下一步行动提供有据可查的预判。

“躯干”即将流体力学中提供互联互通的行为。借助区块链综合应用方法,实现流体自身和外界交互,综合衡量流体行走路径。

5 结语

未来的流体力学研究注定是一个诸多学科交织的学术研究和产业应用交叠热点。除了传统行业的流体力学应用和发展,目前我国朝阳产业或占据国民经济主要地位的电子金融、房地产经济、物联网、X+区块链等都与流体力学技术息息相关。

为了更加精准地掌握流体力学内核和外延,仍应持续关注流体力学自身技术发展的同时不断拓展应用场景。

参考文献

[1]格根敖其.浅谈现代流体力学发展的回顾与展望[J].学周刊,2018,(6):172-173.

[2]D.普郎特,郭永怀.流体力学概论[M].科学出版社,1981.

[3]应德勇.浅析动量定理的应用[J].中学生理科应试,2017,(11):25-27.

[4]魏蔚,吴建琴,马晓栋.关于热力学第一定律的讲述[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2011,(4):59-62.

[5]高炳坤.重整热力学第二定律的理论体系[J].大学物理,1999,18(12):17-21.

[6]李家春.现代流体力学发展的回顾与展望[J].力学进展,1995,25(4):442-450.

猜你喜欢
流体力学应用领域技术特点
基于改善水流特性的超声波热量表设计
对秋季植树造林的一孔之见
任务引领教学法在流体力学课程中的实践探析