理论教育 流体力学的发展趋势及应用探究

流体力学的发展趋势及应用探究

时间:2023-06-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:纯粹数学中泛函、群论、拓扑学,尤其是微分动力系统的发展为研究非线性问题提供了有效的手段。计算流体力学在高速气体动力学和湍流的直接数值模拟中发挥了重大作用。计算流体力学几乎渗透到流体力学的每个分支领域。当今流体力学的发展趋势大致为以下几个方面:①紊流的机理和紊流模型的研究;②各种新兴边缘学科的发展及应用;③实验模拟和计算机模拟及应用。

流体力学的发展趋势及应用探究

目前工程流体力学已进入了一个用理论分析、数值计算、实验模拟相结合,以非线性问题为重点,各分支学科同时并进的大发展时期。这一时期渐近分析方法日臻成熟,已经成为一门独立的学科分支,Sturrock和Whitham分别提出了多重尺度法和平均变分法,VanDyke的延伸摄动级数理论扩大了适用的参数范围。纯粹数学中泛函、群论、拓扑学,尤其是微分动力系统的发展为研究非线性问题提供了有效的手段。由于建成了适合于研究不同马赫数雷诺数范围典型流动现象的风洞、激波管、弹道靶,以及水槽、水洞、转盘等实验设备,发展了热线技术、激光技术、超声技术,以及速度、温度、浓度及涡度的测量技术,流动显示和数字化技术延长了人的感官,可以观察新的物理现象,并获得更多的信息。最重要的是计算机的迅猛发展,从根本上改变了流体力学面临非线性方程就束手无策的状况,大量数据采集和处理也就成为可能,因为实际问题大多是学科交叉的,新兴学科领域的出现也是十分自然的。在这一时期的成就主要有:

计算流体力学已发展成熟,出现了有限差分、有限元、有限分析、谱方法和辛算法,建立了计算流体力学完整的理论体系,即稳定性理论、数值误差耗散、色散原理、网格生成和自适应技术、迭代与加速收敛方法等,提出了许多有效格式,如TVD、ENO、拉格朗日算法,以及求解自由边界问题的MAC方法,为提高分辨率的紧致格式等。计算流体力学在高速气体动力学湍流的直接数值模拟中发挥了重大作用。前者主要用于航天飞机的设计,由于物体几何形状和流场极其复杂,涉及宽阔的流动范围,要考虑内自由度激发和化学反应。此外,还研究了非定常流的控制,超临界翼的设计等问题。后者要求分辨到耗散尺度,计算工作量极大,如果没有先进的计算机是不可能完成的。目前,超级计算机、工作站的性能有了飞跃,并行度也在提高,因此,人们已经可以用欧拉方程、雷诺平均方程求解整个飞机的流场。同时,也出现了一批以Fluent、CFX和ADINA为代表的流场数值仿真软件。计算流体力学几乎渗透到流体力学的每个分支领域。

非线性流动问题取得重大进展,发展了求解非线性发展方程完整的理论和数值方法,并被广泛应用于其他学科领域。三维非线性波和与波有关的流动相互作用是这一领域的研究前沿。非线性稳定性的研究主要针讨转捩问题,探讨不稳定波的发展情况、涡结构的转捩方式、湍流斑的形成。由于理论分析的局限性,要结合数值方法才能描述转捩的全过程,湍流的基础研究从统计方法转向拟序结构的研究,因为拟序结构对于动量、能量、质量的传输起着决定性的作用,也便于控制。

近年来由于工业生产和高新技术的发展需要,如长距离大流量管道输送、复杂管道系统设计与建设、多油品顺序输送、特定条件下的油料收发,以及大型风洞设计与建造、冲压发动机的设计与建设、运载工具的气动研究、非定常旋涡主导的空气动力学研究、并行计算技术及燃烧、化学反应动力学等,促使工程流体力学和其他学科相互浸透,形成了许多边缘学科,随着工程流体力学应用越来越广泛,分支学科越来越多,既相互交叉,又有横向联系,它们互相渗透,互相补充,互相促进,使得理论、实验和数值计算紧密结合,解决许多工程应用问题,成为全新的学科体系,形成了大量的学科分支。

这些分支的新学科有:(普通)流体力学、黏性流体力学、流变学、气体动力学、稀薄气体动力学、计算流体力学(水力学)、环境流体力学(水力学)、能源流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学、多相流体力学、磁流体力学、化学流体力学、生物流体力学、地球流体力学等。可以预测,现代流体力学将进入各个工程领域,而且只要有数学模型,就可以借助计算机来求解。当今流体力学的发展趋势大致为以下几个方面:(www.daowen.com)

①紊流的机理和紊流模型的研究;

②各种新兴边缘学科的发展及应用(如多相流、非牛顿流体、环境污染、生物流体等);

③实验模拟和计算机模拟及应用。

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