流體力學(xué)在社會的發(fā)展和應(yīng)用

1、流體力學(xué)在社會的發(fā)展和應(yīng)用摘要流體力學(xué)作為力學(xué)的一門分支，在社會中有著非常重要的作用和極其廣闊的應(yīng)用前景。早至舊石器時代，人們就已經(jīng)開始了對流體力學(xué)的簡單應(yīng)用。經(jīng)過幾千年的發(fā)展，經(jīng)過無數(shù)科學(xué)家的研究，流體力學(xué)已漸漸成為一個完整、成熟的知識體系。它在土木工程、航空航天、化工工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、石油能源等方面得以應(yīng)用并發(fā)揮了顯著的作用。但在21世紀(jì)的今天，面對能源緊缺、環(huán)境污染等問題，如何發(fā)展這門學(xué)科，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用已是我們不得不面對的問題。一、關(guān)于流體力學(xué)的研究背景 流體力學(xué)是自然界中除固體以外存在的一種物質(zhì)形式，它包括氣體和液體，以流體作為研究對象，以高等數(shù)學(xué)連續(xù)函數(shù)作為數(shù)學(xué)工具，采取實驗分析

2、與理論研究想結(jié)合的方法，來研究流體處于平衡或運(yùn)動狀態(tài)時的力學(xué)規(guī)律及與邊界間的相互作用規(guī)律的一門科學(xué)。流體力學(xué)有著極其廣泛的應(yīng)用，是整個工程學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究的核心和基礎(chǔ)之一。流體力學(xué)對于土木工程、航空航天、氣象學(xué)、水利學(xué)、海洋學(xué)都占據(jù)著舉足輕重的位置，對于當(dāng)代的科學(xué)家和工程師更是必不可少需要熟悉掌握的一部分。航空工業(yè)中飛機(jī)的制造需要空氣動力學(xué)；造船工業(yè)部門也要用到水動力學(xué)；水電站、火電站、核電站、地?zé)犭娬?，工作介質(zhì)都是液體。機(jī)械工業(yè)中的潤滑、冷卻、液壓傳動器都要用到流體力學(xué)的知識。冶金工業(yè)中爐內(nèi)氣體的流動、冷卻等，水利工程中的水資源運(yùn)用、灌溉排水，化工流程、石油輸送、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸?shù)纫捕紤?yīng)用

3、到了流動力學(xué)。因此，流體力學(xué)及其應(yīng)用有著非常廣闊的前景，研究流體力學(xué)的應(yīng)用對科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會生活的發(fā)展也都起到了極其重要的推動作用。二、流體力學(xué)在社會的發(fā)展流體力學(xué)作為力學(xué)重要的一個分支學(xué)科，早在幾千年前人們在農(nóng)耕勞作、社會生活當(dāng)中就已經(jīng)了解熟悉了其中的一些基本規(guī)律和原則。再到今天發(fā)展成一個成熟、完整的知識體系，它經(jīng)過了無數(shù)科學(xué)家的科學(xué)實驗、推敲驗證，是先輩們努力智慧的結(jié)晶。2.1古時期的流體力學(xué)在舊石器時代，古人就已經(jīng)學(xué)會了運(yùn)用一些木棒、石器打制一些簡單的器具用來捕捉動物、采摘果實等，在這個過程中，已經(jīng)體現(xiàn)了尖劈原理的力學(xué)應(yīng)用。新石器時代，人們對浮力和反作用力的認(rèn)識和應(yīng)用已經(jīng)非常熟悉了，

4、在中國、荷蘭、埃及等國發(fā)現(xiàn)的公元前5000年錢的獨(dú)木舟、寬翼等就是很好的例證。而在我國古代春秋戰(zhàn)國和秦朝，對于流體力學(xué)在實際操作中的應(yīng)用更是駕輕就熟。先有的靈渠、鄭國渠再到后來的隋朝的京杭大運(yùn)河都是古代勞動人民的智慧結(jié)晶。2.2 流體力學(xué)理論研究的先河而最早真正把流體力學(xué)作為一門理論學(xué)科來研究并作出巨大貢獻(xiàn)的則是古希臘偉大的科學(xué)家阿基米德。在公元前3世紀(jì)，阿基米德發(fā)現(xiàn)了浮力定律并撰寫了論浮體。在實際生活中，阿基米德通過大量計算和分析制造了螺旋揚(yáng)水機(jī)。這種螺旋揚(yáng)水機(jī)，對當(dāng)時農(nóng)業(yè)的發(fā)展起了很大作用；船舷里積水，也可以用它抽干，所以對航運(yùn)業(yè)也有幫助。至今，人們還將它稱為“阿基米得螺旋”。在科學(xué)技術(shù)高

5、度發(fā)達(dá)的今天，利用阿基米得螺旋的原理，制成了各種器械用來傳送小塊固體、粉末、粘性液體，做成各種螺旋攪拌混合機(jī)械，在實際生活中得到了廣泛的利用。而在論浮體這本書中，阿基米德則得出了流體力學(xué)最重要最基礎(chǔ)的一條定律：“浸在液體（或氣體）里的物體受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被該物體排開的液體的重力?！辈⒂脭?shù)學(xué)公式表示：F浮=G排=液·g·V排液。這一定律成功奠定了流體力學(xué)的基礎(chǔ)，開創(chuàng)了流體力學(xué)理論研究的先河。2.3流體力學(xué)的初步形成與發(fā)展在這一時期，流體除了解決實際生活中的應(yīng)用問題，在理論研究方面更是發(fā)展迅速。1678年，牛頓研究在流體中運(yùn)動物體所受的阻力，并建立牛頓粘性定律

6、。法國的傳教士馬略特在流體力學(xué)的研究方面作出了巨大的貢獻(xiàn)。他在1686年發(fā)表了論水和其他流體的運(yùn)動。在這本書中，他討論了液體與浮體的平衡，并解釋了實驗與理論研究中的一些差異，給出了圓管流體壓強(qiáng)的分布規(guī)律以及計算管壁壓強(qiáng)的公式。馬略特在對流體力學(xué)理論和技術(shù)上的研究，大大推動了其發(fā)展。1738年，丹尼爾·伯努利出版流體動力學(xué)，在這本書中他將力學(xué)中的活力守恒定理引入了流體力學(xué)。他得出了最重要的結(jié)論伯努利定理即：p+gz+(1/2)*v2=C，其中p、v分別為流體的壓強(qiáng)、密度和速度；z 為鉛垂高度；g為重力加速度。1755年，歐拉提出流體平衡方程和運(yùn)動方程。展開了對無黏性無旋流體的平面、空間

7、運(yùn)動的研究。19世紀(jì)開始，科學(xué)家們展開了對黏性流體力學(xué)的研究。由于早期的科學(xué)家在研究流體力學(xué)的時候，并沒有以沒有摩阻的流體為前提。為了解決這些問題，后來一些科學(xué)實驗就建立起來了。法國科學(xué)家玻爾達(dá)在1763年進(jìn)行了流體阻力實驗。通過他的空氣阻力實驗，他得出結(jié)論空氣的阻力不能通過各部分的阻和得到。之后他對水做了實驗，驗證了阻力是與速度的平方成正比。并引進(jìn)了體形系數(shù)的概念，得出隨水深的增加阻力而減小的規(guī)律，并首先開創(chuàng)了研究粘體力學(xué)。在1775年，玻素等人組織了一個委員會，去做了一項“為了航海事業(yè)的研究”。他們對20種不同的船型進(jìn)行了研究。通過這項實驗，肯定了阻力與速度的平方成正比的結(jié)論。1852年，

8、雷什通過對波浪運(yùn)動的觀察和船舶模型的實驗，提出了雷什數(shù)。19世紀(jì)末，人們開始了對湍流的研究，并研發(fā)了相應(yīng)的實驗設(shè)備。1891年，徹斯特提出速度環(huán)量產(chǎn)生升力，為建立升力理論創(chuàng)造條件。1932年，德萊頓引進(jìn)了湍流強(qiáng)度的概念，運(yùn)用自己設(shè)計的熱線流速計，成功測量到湍流漲落速度。1946年，卡門提出了跨聲速相似律。在出現(xiàn)計算器以后，流體力學(xué)的發(fā)展更是迅速。到20世紀(jì)中葉以后，流體力學(xué)更主要轉(zhuǎn)而對石油、化工、能源、環(huán)保等方面作出了研究，并與鄰近的學(xué)科相互滲透，形成新的學(xué)科。2.4 二十世紀(jì)的流體力學(xué)在這一時期，科學(xué)家們已經(jīng)不僅僅停留在理論和實驗設(shè)備的研究上了，很多工作都圍繞航天事業(yè)發(fā)展而展開。1904年，

9、普朗特通過大量觀察和分析測量后，發(fā)表了非常小摩擦些的流體流動，提出了失速的概念，創(chuàng)造了邊界層理論。1910年以后，機(jī)翼理論有了很大的發(fā)展。普朗特還提出了第一個可供應(yīng)用的三維機(jī)翼理論。在阿基米德建立阿基米德定理之后，15世紀(jì)至17世紀(jì)，牛頓、達(dá)芬奇、伽利略等人用實驗方法研究了水靜壓力、大氣壓力、孔口出流、壓力傳遞和水的切應(yīng)力等問題。18世紀(jì)以后，流體力學(xué)的研究大致分為兩大類：一類是數(shù)學(xué)分析的方法進(jìn)行比較嚴(yán)格的推導(dǎo)，建立流體運(yùn)動的基本方程。在這方面，伯努利、歐拉、雷諾等人作出了巨大貢獻(xiàn)。另一類的研究是為了解決實際生產(chǎn)問題。從大量的實驗和實際觀察中總結(jié)出一些經(jīng)驗關(guān)系公式，并根據(jù)簡化后的一維方程進(jìn)行數(shù)

10、學(xué)分析，建立各運(yùn)動要素的定量關(guān)系。在這方面，畢托、曼寧等人作出了貢獻(xiàn)。而將上述兩類研究達(dá)到統(tǒng)一的是由德國人普朗特創(chuàng)立的邊界層理論。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算實際物體運(yùn)動時的摩阻力。三、流體力學(xué)在社會的應(yīng)用3.1 流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用在土木工程中，流體力學(xué)是一門非常重要的基礎(chǔ)課程。在建筑工程中，需要考慮風(fēng)對高聳建筑物的作用。在進(jìn)行基坑施工、地坑的抗?jié)B處理、橋渡的設(shè)計等等都依賴水力分析和計算。在實際應(yīng)用中，非常有必要掌握水、風(fēng)等一些基本流體的物理性質(zhì)，從而對流體力學(xué)的基本方程進(jìn)行簡化，建立這些流體的基本控制方程，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)值計算。流體力學(xué)的發(fā)展相應(yīng)的推動了工程技術(shù)的發(fā)展。3

11、.2 流體力學(xué)在航空航天事業(yè)的應(yīng)用在航空航天的發(fā)展方面，流體力學(xué)更是起著舉足輕重的地位。飛行器的受力狀況和阻力等等，都應(yīng)用到了流體力學(xué)。普朗特提出的邊界分層理論，對后來的機(jī)翼理論奠定了基礎(chǔ)。為避免邊界層分離和失速，科學(xué)家們設(shè)計了超臨界翼型。運(yùn)用薄翼理論，提出了帶彎度翼型的氣動問題。錢學(xué)森和卡門分別提出的高聲速相似律和跨聲速相似律，也在機(jī)翼理論中得以經(jīng)常運(yùn)用。阿克萊的超聲速相似律在超聲速機(jī)翼制造中也是重要的理論基礎(chǔ)。飛行器的速度超過聲速，航天飛機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。流體力學(xué)解決了飛機(jī)能飛，時速能超過音速，飛機(jī)做高超音速飛行受熱狀況時的熱保護(hù)，高速飛行氣體電離產(chǎn)生的通信中斷四大航空技術(shù)上的問題。隨著時代的進(jìn)

12、步，技術(shù)的發(fā)展，流體力學(xué)在航空事業(yè)中的應(yīng)用將發(fā)揮更大的作用。3.3流體力學(xué)在海洋方面的應(yīng)用海洋占地球表面積的百分之七十一左右，除了能給人類帶來巨大的生態(tài)價值外，水產(chǎn)資源、海運(yùn)事業(yè)等也帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)價值。而流體力學(xué)的發(fā)展對航海事業(yè)的推動則起到了功不可沒的作用。在對魚類游動原理的研究時，流體力學(xué)的應(yīng)用為我們設(shè)計出了更快更安全的潛艇等海上工具。設(shè)計大排水量的船舶，建造大型海上采油平臺，解決出海時遇到的天氣狀況，對氣候、海速、波浪荷載的預(yù)報，檢測大浪對船舶的作用等等技術(shù)都用到了流體力學(xué)，這不僅為我們的安全提供了有效的幫助，也給我們帶來了大量的經(jīng)濟(jì)效益。3.4 流體力學(xué)在石油、化工、能源等方面的應(yīng)用計

13、算流體力學(xué)等技術(shù)在石油、化工等方面發(fā)揮了極其重要的作用。通過計算流體力學(xué)，可以對高壓管道內(nèi)的天熱氣泄漏和擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析油、水、氣三相分離器設(shè)計中存在的問題。在蒸汽輪機(jī)里面的蒸汽流動，內(nèi)燃機(jī)里面的燃料組織、空氣流動等等都應(yīng)用到了流體力學(xué)。在當(dāng)今時代，全球的發(fā)電都是通過葉輪機(jī)的，而使得葉輪機(jī)的設(shè)計得以改進(jìn)，效率大大提高三分之一，節(jié)約了大量的資源，這些靠的都是流體力學(xué)中的湍流理論。同樣，汽車的燃料問題。由于流體力學(xué)在其中的貢獻(xiàn)，不僅僅節(jié)約了燃料費(fèi)，更使得污染減少了百分之九十多。在石油能源的采油中，正是在流體力學(xué)的幫助下，大量無法被開采的原油都能夠得到開采并被有效應(yīng)用。流體力學(xué)不僅僅幫助我

14、們提高了實際操作中的效率問題，更重要的是為我們節(jié)約了大量的資源。四、對流體力學(xué)的展望和看法（1） 能源方面 隨著科技的不斷發(fā)展，社會的不斷進(jìn)步，在21世紀(jì)的現(xiàn)代，由于世界對能源的需求不斷增長，加速和能源有關(guān)的工業(yè)發(fā)展已是迫在眉睫。在開采、輸送能源過程中存在著很多流體力學(xué)的問題。如去除仍然殘留在巖體中的原油。天然氣、石油等輸送過程中產(chǎn)生的流體驅(qū)動問題。水電站的侵蝕，提高燃燒效率等問題。如何更好的應(yīng)用流體力學(xué)解決能源問題已是我們不得不面對的一個事實。（2） 環(huán)境方面 伴隨著人類社會的不斷進(jìn)步，環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。酸雨、臭氧層破壞、全球變暖、臺風(fēng)、土地沙漠化等等各種問題已擺在了人類的面前。而在這些

15、問題中，很多都存在著流體力學(xué)的問題，環(huán)境流體力學(xué)也已發(fā)展成為一門重要的學(xué)科。水覆蓋地球表明的百分之七十五左右，大氣又包圍著地球，水資源的緊缺，大氣環(huán)流過程中影響到的地球氣候變暖問題，特大洪水的爆發(fā)，泥石流、泥沙等石流運(yùn)動的問題。這就需要我們研發(fā)新的清潔能源，減少污染物的擴(kuò)散運(yùn)輸，有效的避及災(zāi)害，控制好壞境的污染，而這些過程中，流體力學(xué)的發(fā)展都為其提供了極大的幫助。（3） 生物方面 生物學(xué)是一門研究生命結(jié)構(gòu)、功能等方面，與人類密切相關(guān)的學(xué)科。不僅與人類的健康，和環(huán)境、農(nóng)業(yè)等各方面都有著非常緊密的關(guān)系。在生物學(xué)中，細(xì)胞力學(xué)對21世紀(jì)的今天更是極其的重要。細(xì)胞力學(xué)是為了研究細(xì)胞的運(yùn)動、分裂、分布、變

16、化等機(jī)理，對其與血管、皮膚、骨骼組織等疾病的改善、治療有著重要的作用。流體動力學(xué)與生物學(xué)相交叉、相互應(yīng)用、密不可分，對解決各種疾病，保持病人正常的新陳代謝，身體各個機(jī)能正常的運(yùn)作都有著重要的貢獻(xiàn)。由此看來，流體力學(xué)在各方面都有著重要的應(yīng)用和極其廣闊的前景。無論是對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展還是對經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)定提高都有著巨大的幫助。深化和發(fā)展流體力學(xué)，將其與生物、氣象、電磁學(xué)等各個學(xué)科相互交叉、貫通形成新的學(xué)科，應(yīng)對新世紀(jì)出現(xiàn)的各種復(fù)雜困難的問題，已是當(dāng)今時代不可阻擋的潮流趨勢。五、參考資料1 郭榮倆、郭清南、祝世興,流體力學(xué)及其應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，1996，第2頁.2 郭永懷、陸士嘉,流體力學(xué)概論，科學(xué)出版社，1987，第1頁.3 韓向科、錢若軍，流體力學(xué)基本理論研究綜述，空間結(jié)構(gòu)，2008, 14(3)，9124 張涵信、周恒，流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究，世界科技研究與發(fā)展，2001, 23(3)，1518.5 朱俊鋒、梅群、李一帆，淺談土木工程專業(yè)工程流體力學(xué)課程教學(xué)改革，山西建筑，2010, 36(23)，224225.6 董德國、郭卓民、焦楠，計算流體力學(xué)在海洋石油行業(yè)的應(yīng)用，科苑觀察，2004, 22(19)