登陆注册
10207100000026

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
  • 非洲狮传奇3:猎豹来袭

    非洲狮传奇3:猎豹来袭

    在一次玩游戏时,凯米丽发生意外被猎豹叼走,她一次次避开了猎豹的攻击却不幸掉进了湍急的戴斯瑞尔河。当追寻而来的亲人们放弃寻找时,凯米丽却从不知名的草原上醒来,并开始了艰难的求生经历。她结识了幼狮安迪,在安迪的帮助下找到了回家的路,经过重重困难之后,家已近在眼前,凯米丽却再次遇到对她恨之入骨的猎豹,与猎豹的一战不可避免……
  • 古堡秘影的故事

    古堡秘影的故事

    科幻故事是西方近代文学的一种新体裁,诞生于19世纪,是欧洲工业文明崛起后特殊的文化现象之一。人类在19世纪,全面进入以科学发明和技术革命为主导的时代后,一切关注人类未来命运的文艺题材,都不可避免地要表现未来的科学技术。而这种表现,在工业革命之前是不可能的。
  • 魔术中的科学(走进魔术世界)

    魔术中的科学(走进魔术世界)

    《走进魔术世界:魔术中的科学》包括两大部分,第一部分是按照物理、化学、数学、生物等顺序编排的科学中的小魔术,对每套魔术的原理和表演方法都做了详细解释。第二部分是一些科学中的小游戏,如千奇百怪的书写,它不是一般的正、草、隶、篆,而是魔术师们所用的书写表演,它用化学及各种办法来进行书写。
  • 玩出来的智慧(0~1岁)

    玩出来的智慧(0~1岁)

    本书作者从0~1岁宝宝的身心发展特点出发,为家长揭示孩子行为背后的心理,让家长轻松掌握简单易行的解决方法。作者还创编了60多个朗朗上口的、极易操作的亲子儿歌互动游戏,将宝宝的运动能力、精细动作能力、交往能力、认知能力、言语能力等方面的发展融入游戏中,使宝宝在快乐游戏的同时获得全方位的发展。本书既是家长的家庭教育指导书,又是早教从业人员的工具书。
  • 军中兽王(兽王系列)

    军中兽王(兽王系列)

    兰虎一出桃花源就遇到了一个叫做蛇六的神秘人,两人不打不相识,结伴前往彩虹城,得知彩虹城外有一只上古凶兽出没,兰虎与蛇六一同前往凶兽出没的水域,希望为民除害,就在与凶兽斗智斗勇的时候,兰虎忽然警觉地发现自己落入了新联盟精心设计的陷阱里,哈里兽的几个修为极为高强的弟子从天而降,兰虎脱险之后,跟着亚超人方冰来到了军中,见到了东联邦政府特别行动部门总指挥罗兰,然而军中的生活也并不是一帆风顺的,一些仇视新人类的将军对兰虎虎视眈眈,面对军中古人类高手的挑衅,兰虎是奋起反抗还是退避三舍?
热门推荐
  • 绝世美男与千年丑男

    绝世美男与千年丑男

    简介一:李厚峰获得一个神奇面具,让他多了两张面孔,一个绝世美男,一个千年丑男。简介二:“终有一天,我要让林允儿、金泰妍、郑秀妍、李顺圭、黄美英、金孝渊、权侑莉、崔秀英、徐珠贤穿上制服,一起为我唱《征服》。”——李厚峰
  • 幸好只是穿越

    幸好只是穿越

    “玥珞姐姐,你看这天儿这么好,我们去弹弹琴如何?”“不会。”“那绣绣花?”“不会。”“写写诗?”“不会。”“跳跳舞,画画丹青,下下棋,练练字?”“不会,统统不会!”
  • 唐韵

    唐韵

    一名颇有才情的小医生,穿越来到大唐贞观年间...试看一名穿越人,如何利用前世所学,在大唐初年展露自己才华,改变了自己的命运,同时也影响着历史的进程...长孙皇后、长乐公主、李恪等诸多的人因他的到来而命运改变...******千年之间,世事变迁,繁华都已落尽,如梦无痕;一缕唐音,一曲唐韵,述写梦中大唐,悠悠盛世!------还有盛世中的数段儿女情事!(新建一QQ群:116771243,有兴趣的书友可以进群聊聊!)
  • 千亿盛宠:狼性首席,晚上好

    千亿盛宠:狼性首席,晚上好

    四大家族,一场联姻,利益和阴谋都让所有人都心生胆颤。夜未央成了这场交易的牺牲品,一夜间,她误睡了冷酷霸道的总裁大人,没想到他居然发誓要睡回来!看着步步紧逼的英俊男人,夜未央彻底蒙了。
  • 爱上冷魅天使

    爱上冷魅天使

    她,是一个富家千金。初中毕业的她,被母亲送到‘憬枫贵族中学’读书,因为哥哥也在这读,所以母亲很放心。另外,她的母亲想她在这里可以找到她一生的归属。她,是否可以找到她的归属?
  • 反三国志演义

    反三国志演义

    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。
  • 最新21世纪生活百科手册·生存手册

    最新21世纪生活百科手册·生存手册

    本书讲述了旅途、食物、海上、灾难、救援等方面的生存知识,其内容全面广泛、营养丰富、生动具体、趣味盎然。
  • 七年的爱

    七年的爱

    部队退役的星阑归于平淡生活之后,拥有了一段期待已久的爱情,然而这份爱情的期限,却只有七年……
  • 空中客车:一个真实的故事

    空中客车:一个真实的故事

    《空中客车——一个真实的故事》讲述了空中客车公司如何从民机行业的小兄弟一跃成为行业翘楚这一奇迹背后的故事,生动地描述了公司如何克服多国合作伙伴之间的体制矛盾和政府压力,展示了公司在世界民机市场上挑战强者的百折不挠的精神。全书可以说是欧洲民用航空工业整合的发展简史,是欧洲航空工业与美国航空工业的竞争简史。
  • 蜀山群剑传

    蜀山群剑传

    传说,开天上圣盘古大神进入永眠之后,盘古之心化为一座举世无双的仙山。千万年后蜀山剑派独步人间,敬仙神而守人道,仗剑斩妖邪,执法天下...却在岁月的默默流淌中消失不见......直到,末法时代,九州大地的后辈们默默呼唤之时。蜀山重开,剑仙入世。剑啸星宇,昂首天外。