登陆注册
14608600000026

第26章 液体和气体的运动——流体力学

日常生活中接触到的水、空气等流体,事实上就是流体力学中的流体,由此可见,流体力学与人类生活息息相关。

在力学中,流体力学是其中一个重要分支,以流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律为主要研究内容,它有着极其广泛的应用价值,例如生活、环保、科学技术以及工程等。

水和空气在流体力学中研究得最多,它以牛顿运动定律和质量守恒定律为基础,不仅如此,往往还要用到热力学知识,有时还会用到本构方程和物理学、宏观电动力学的基本定律以及一些基本的化学知识。

伯努利于1738年出版他的专著的时候,首先采用了水动力学这一名词作为书名;随后又于1880年前后,出现了空气动力学这一名词;1935年后,人们对这两方面的知识进行了概括与总结,建立了比较全面的体系,统称为流体力学。

此外,作为汽轮机工作介质的水蒸气、地下石油、润滑油、血液、含泥沙的江水、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等都可以作为流体来研究。更加重要的是,它还广泛地使用在船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行,气象、水利研究,可燃气体或炸药爆炸等等许多领域。流体力学不仅可以指导许多现代科学技术所关心的问题,与此同时也促进了自身的发展。电子计算机于1950年后的迅速发展,推动了流体力学的发展。

1.流体力学的研究内容

气体和液体统称为流体。流体在人们的生活和生产活动中随处可见,所以流体力学与人类日常生活和生产事业有着密切的联系。在众多流体之中,大气和水是最常见的,整个地球都被大气包围着,地球表面的70%都是水。众所周知的海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)、大气运动、地球深处熔浆的流动都属于流体力学的研究范围之内。

世界第一架飞机于20世纪初出现,随后,飞机以及其他各种飞行器快速发展起来。航天飞行开始于20世纪50年代,自此以后人类的活动范围大大扩展了。航空航天事业如此迅速发展,离不开同流体力学的分支学科——空气动力学和气体动力学的发展,因为在流体力学中,这些学科是最活跃、最富有成果的领域。

流体力学分支之一——渗流力学研究的主要对象,要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动,例如地下水的开发利用,石油和天然气的开采等等。除此之外,渗流力学还涉及到化工中的浓缩,土壤盐碱化的防治、分离和多孔过滤,燃烧室的冷却等一些相关技术问题。河流泥沙运动、沙漠迁移、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等,都涉及到流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题,此类问题属于多相流体力学研究范围。

燃烧的条件是可燃物、助燃剂和达到着火点,因此燃烧往往与气体不可分,这是有化学反应和热能变化的流体力学问题,是物理—化学流体动力学的内容之一。由于爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递的一个过程,所以它涉及到气体动力学,正是这个原因,才形成了爆炸力学。

所谓的等离子体,指的是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。在磁场作用下,等离子体有着自身特殊的运动规律。而对等离子体的运动规律进行研究的学科,通常被人们称为等离子体动力学和电磁流体力学,它们的应用方面也比较广泛,例如磁流体发电、受控热核反应、宇宙气体运动等。

环境流体力学,是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。例如风对建筑物、桥梁、电缆等的作用,能够使它们承受载荷和激发振动;人类所排放的废气和废水,能够对环境造成一定的污染;在冲刷的作用下,河床发生迁移甚至于海岸遭到侵蚀。对这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的研究,也就是所谓环境流体力学。

生物流变学是生物力学的一个分支,它主要研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题,例如血液在血管中的流动,心、肺、肾中的生理流体运动,植物中营养液的输送等等。除此之外,鸟类在空中的飞翔,动物在水中的游动等等都是它的研究内容。

由上可知,流体力学不仅包括自然科学的基础理论,也包括工程技术科学方面的应用。如果流体力学按照流体作用力的角度来划分,可以划分为三类:流体静力学、流体运动学以及流体动力学;以对不同“力学模型”的研究为根据来划分,则可以分为理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。

2.流体力学的发展方向

随着流体力学的发展,自20世纪以来,它已成为基础科学体系的一部分。不仅如此,它还有着极其广泛的应用,例如工业、农业、交通运输、天文学、地学、生物学、医学等。

不久的将来,一方面,人们将更深入地开展基础研究,探求流体的复杂流动规律和机理;另一方面,人们将以工程技术方面的需求为根据进行流体力学应用性的研究。前者包括的内容很多,例如流体和结构物的相互作用,多相流动等等。

同类推荐
  • 做个快乐的读书人

    做个快乐的读书人

    本书不单是作者写给女儿的,也是写给每位师长和孩子的。愿我们的孩子都能快快乐乐地上学,快快乐乐地读书,快快乐乐地回家,快快乐乐地睡觉,快快乐乐地长大……
  • 大自然的报复(自然瞭望书坊)

    大自然的报复(自然瞭望书坊)

    每一朵花,都是一个春天,盛开馥郁芬芳;每一粒沙,都是一个世界,搭建小小天堂;每一颗心,都是一盏灯光,把地球村点亮!借助图书为你的生活添一丝色彩。大自然美丽而神奇,无论是广阔的天空,还是浩瀚的海洋,无论是遥远的地球两极,还足近在身边熟悉的土地,总有那么一些现代科学努力探索却又无法清楚解释的未知事物和神秘现象。这些扑朔迷离的谜团既令人惊奇,又引人深思,勾起人们探索的兴致。
  • 防灾避难与危机处理

    防灾避难与危机处理

    处于青少年时期的学生虽然相比以往安全意识有了提高,个人处理问题的能力也是有所增强,但仍不够,本书本着提高青少年自我保护能力以及处理突发事件的能力为目的,搜集了大量有关防灾避难与危机处理的短文,包括《违规骑车危险多》、《提防马路骗子》等。
  • 2015中国年度儿童文学

    2015中国年度儿童文学

    该书编选团队在广泛阅读浙师大国际儿童文学馆本年度订阅的数十种儿童文学、儿童教育及综合性报刊和大量图书的基础上,对入选篇目进行了反复的讨论和推敲。我们力图通过选文,对2015 年度中国儿童文学的短篇作品,包括童话、小说、儿童诗、散文的创作概貌,进行较为全面的反映和呈现。
  • 小时候的秘密:一万三千个猜想

    小时候的秘密:一万三千个猜想

    这是一只会说话的兔子,这是一只喜欢喝咖啡的兔子,这是一只有着神秘身世的兔子!媚媚猫对家里的这个新成员产生了浓厚的兴趣。她不断猜测着东尼兔的身份,从被变态科学家试验的牺牲品,到外星球神秘旅客,也许还是某个魔法大陆被陷害的王子……哇!真是太不可思议了,媚媚猫对自己侦探家一般的想象力佩服不已。然而这些都不是东尼的真实身份。那么,东尼究竟是谁?
热门推荐
  • 校内里夏天

    校内里夏天

    文中写了有暑假到小升初的故事,一为平平凡凡的女生,与朋友之间的快乐。
  • 末世之天机传承

    末世之天机传承

    丧尸末世,陈潇以一次天机传承为起点,将如何带领人类将如何重生?人类世界被重新洗牌,是真正走向毁灭,还是迎来一个新的发展.....
  • 我的舍友是女生

    我的舍友是女生

    我从小学升到了初中,在学校住宿的日子,与7个女舍友发生了一系列事件。
  • 麦丽幻想

    麦丽幻想

    一个平凡的女高中生,本是一个单纯普通的女孩,可一场说不清道不明的事件让她无法顺从。到底发生了什么?
  • 乱世寒衣

    乱世寒衣

    魔教得远古巫族相助,日益猖獗,几乎横行武林,一时间江湖动乱,正派人士纷纷出手打压,掀起一阵血雨纠纷!身世浮萍,尘世浩劫,玉灵剑最终归主何人?细看一女子如何在正邪之中摇摆不定......乌云蔽日,谁又与谁携手相依,力挽狂澜?
  • 飞剑御风

    飞剑御风

    一个平凡的武者,一段无奇的爱情。让我们一起纵情武的侠义!让我们一起品尝爱的真谛!
  • 俱舍论颂疏论本

    俱舍论颂疏论本

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 100美元到620亿美元

    100美元到620亿美元

    沃伦·巴菲特曾说:“恐惧和贪婪这两种传染性极强的灾难的爆发,会一直在投资界出现。这些流行病的发作时间难以预料,由它们引起的市场精神错乱,无论是持续时间还是传染程度同样难以预料因此,我们永远无法预测一种灾难的降临或离开,我们的目标应该是:在别人贪婪时恐惧,在别人恐惧时贪婪。”其实,“一个人一生中最好的投资,就是投资自己”。
  • 虎踞梅岭:梅关(文化之美)

    虎踞梅岭:梅关(文化之美)

    梅岭自越人开发后,成了中原汉人南迁的落脚点,中原文化逐步在梅岭生根开花,并向岭南传播开去。梅岭既是古战场,也是革命战争年代红军多次战斗过的地方,特别是陈毅同志带领部队在这一带坚持了三年游击战,并在临危之中写下了壮志凌云的《梅岭三章》,使梅岭的知名度更高。
  • 老婆,算你狠

    老婆,算你狠

    天邦被灭,她从大小姐跌落谷底,他疯狂寻找,而她却成为黑市的拳王。他想要帮她,却被她丢下一句“我凭什么要做你的女人!送你十个字——有他妈多远,滚他妈多远!”终于,他决定不再忍,他要她看看什么才是真正的男人!但是他却意外的救了生命危在旦夕的她。让她明白谁最好!