流体的物理性质.pptVIP

《地球物理流体力学》2012.02-05 《地球物理流体力学》2012.02-05 《地球物理流体力学》2012.02-05 * * 基本概念 流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。 流体力学研究的对象——液体和气体。 * 流体力学发展简史 阿基米德（古希腊，公元前3世纪）：建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大发展； 达芬奇（意大利，15世纪）：谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题； 帕斯卡（法国，17世纪）：阐明了静止流体中压力的概念； 流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。 * 流体力学发展简史 牛顿（英国，1642~1727）的力学体系建立之后： 皮托（法国，18世纪）发明了测量流速的皮托管； 欧拉（瑞士，18世纪）采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动； 丹尼尔·伯努利?（瑞士，18世纪）从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。 欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。 * 流体力学发展简史 从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究； 19世纪，纳维（法国）建立了粘性流体的基本运动方程，斯托克斯（英国）又以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础； 20世纪，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展，以儒科夫斯基（俄国）、恰普雷金（俄国-苏联）、普朗克（德国）等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。 * 流体力学的研究方法 进行流体力学的研究可以分为四个方面： 现 场 观 测 实验室模拟 理 论 分 析 数 值 计 算 * 现场观测 现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。 不过现场流动现象的发生往往不能控制，发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。因此，人们建立实验室，使这些现象能在可以控制的条件下出现，以便于观察和研究。 * 实验室模拟 模型实验在流体力学中占有重要地位。这里所说的模型是指根据理论指导，把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论计算解决，有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。这时，根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。 现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象进行观察，使之得到改进。因此，实验室模拟是研究流体力学的重要方法。 * 理论分析 理论分析是根据流体运动的普遍规律，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下： 首先是建立“力学模型”； 其次是针对流体运动的特点，用数学语言进行表达，从而得到流体力学基本方程组； 求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。 * 数值计算 流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20世纪30 ～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。 数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了“计算流体力学”。 * 流体力学的研究方法 解决流体力学问题时，现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。 实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联