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流体力学与石油 摘要 流体力学，作为力学的一大分支，在人类日常生活与生存中无处不在，发挥着不可估量的作用，生活中的各种看似简单的现象却蕴含着流体力学知识里面最普遍的原理。而在室友的开采与输送中，流体力学更是各种技术手段最为倚重的骨架，尤其是其中的渗流力学与管道设计。本文从我们平时最常见的几种现象谈起，论述了流体力学与生活的密切关系和研究流体力学的重要意义，接着着重介绍了石油工业中的流体力学知识，说明了流体力学在石油开采输送过程所发挥的巨大作用。最后，对石油工业的走向做了一定预测，提出不断探索发现新能源的必要性和重要性。 一、流体力学简介 流体力学作为力学的一大分支，具有极其广泛的研究领域，与我们日常生活各种现象紧密联系，下面让我们揭开它的神秘面纱，一起走进流体力学。 1.1生活中的流体力学 我们都知道，地球71%左右的面积被水覆盖，而地球表面，又充斥着我们生存必不可少的空气，在地下，又有着现代工业最倚重的原材料：石油天然气。可以说，地球上大部分物质是以流体的状态存在的，而流体力学就是专门研究流体的一门学科。在我们日常生活与生产中，与流体力学相关的事件随处可见。例如，我们都知道，在房间门口或狭长通道内风速较大，夏天此处凉快，人们愿意待在这里，而冬天一般尽量避开，这其实就反映了流体力学的一个基本理论——连续性理论：流动面积小的地方流速大，流动面积大的地方面积小。再比如，河道中两艘船航行时，其距离不能太近否则会相撞，人们在火车站候车时，当火车进站应该站在安全距离外，这里反映了流体力学另一理论——伯努利积分：流速大的地方压强小，流速小的地方压强大，飞机之所以能飞也是基于此理论。 但是，是否说面积小的地方流速一定大呢？答案是否定的，人们在流体力学研究中发现，这一理论仅在较低速度才成立，当流体以超音速流动时，只有在面积变大的通道中才能加速。再看两个例子：汽车的阻力和高尔夫球表面。很长时间以来，人们认为汽车在高速行驶中，受到阻力主要来自于车头表面与空气的碰撞，但是当人们不断将车头做得流畅顺风之后，发现阻力并未减少很多，经过仔细研究发现，原来汽车行驶中阻力主要来自于车尾的尾流。而高尔夫球起初不是像现在这样做得坑坑洼洼凹凸不平的，其表面是非常光滑的，因为当时人们以为光滑了受到阻力小才能飞得更远，但是在偶然情况下发现，当高尔夫球表面做得粗糙一些，飞得竟然更远，这一现象直到1904年普朗特提出边界层理论人们才明白其本质。 上述这些现象，在我们平时生活中都是非常常见的，其他的与流体力学相关的现象也比比皆是，举不胜举。下面，我将对流体流体力学做一定阐述。 1.2流体力学基本概念 流体力学(fluid mechanics)是力学的一个独立分支。它是研究流体的平衡和流体的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。流体力学的研究对象是流体，包括液体与气体两大类，它们的共性是，由于流体质点之间的内聚力很小，所以具有很大的流动性。流动性是指，流体无论多么微小的剪切力作用下，都会发生连续剪切变形，直至剪切力停止作用。在研究流体力学时，认为流体完全充满它所占有的空间而不存在任何空隙，这是流体力学的一个最基本假设。这也就是说，流体力学研究对象是一种所谓的连续性介质，且不考虑流体分子运动。 1.3流体力学的发展 流体力学同其他学科一样，是人类在渐渐认识自然界，长期的生产实践中逐渐发展起来的。尽管人们在很早的时候，为了生存，修水利，初水害，灌溉航运等，在水的利用中积累了大量经验，例如我国秦朝李冰父子根据“深淘滩，低作堰”的工程经验设计修建了四川的都江堰，古埃及古罗马人修建大规模的供水管道系统等，但是，流体力学真正成为了一门科学并逐渐发展起来的过程可分为三个阶段：经典流体力学、近代流体力学、现代流体力学。 经典流体力学最早开始于古希腊的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定在内的液体平衡理论。此后千余年没有太大发展。直至15世纪，达芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。流体力学真正作为一门严密的科学，是从十七世纪开始形成的，这要归功于牛顿和莱布尼兹发明了微积分，在牛顿的《原理》中，他还研究了粘性流体的剪应力公式、声速和潮汐理论。随后，1738年，伯努利提出了著名的伯努利定理，1752年，达朗贝尔提出了连续性方程，欧拉于1775年提出了流体运动的描述方法和无粘性流体运动的方程组，推动了无粘性流动。 从19世纪开始，人们主要慎入细致研究流体粘性运动和高速运动的特性，从而使流体力学步入了近代流体力学的阶段。这时期，主要成就有：1883年雷诺发现了流体运动的两种运动形态：层流与湍流；1904年普朗特提出了著名的边界层理论；1910年泰勒提出了湍流的涡扩散理论；1911年卡门证明了圆柱尾流内涡街的稳定性；苏联科学