流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用

流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用摘要：流體力學(xué)是研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，是力學(xué)的分支學(xué)科。隨著社會(huì)的發(fā)展，流體力學(xué)被廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域。尤其是在土木工程領(lǐng)域有著非常重要的地位。例如，在建筑工程和橋梁工程中，研究解決風(fēng)對(duì)高聳建筑物的荷載作用和風(fēng)振問(wèn)題，要以流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)；進(jìn)行基坑排水、地基抗?jié)B穩(wěn)定處理、橋渡設(shè)計(jì)都有賴于水力分析和計(jì)算……可以說(shuō)，流體力學(xué)已成為土木工程各領(lǐng)域共同的專業(yè)理論基礎(chǔ)。流體力學(xué)不僅解決單項(xiàng)土木工程的水和氣問(wèn)題，更能幫助工程技術(shù)人員進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系。關(guān)鍵字：流體力學(xué)土木工程流體力學(xué)是一門(mén)研究流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，是力學(xué)的分支學(xué)科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支。流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)重要分支，在生活、環(huán)保、科學(xué)技術(shù)及工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。與土木工程更是有密切的聯(lián)系。流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)出現(xiàn)流體力學(xué)是在人類(lèi)同自然界作斗爭(zhēng)和在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來(lái)的。古時(shí)中國(guó)有大禹治水疏通江河的傳說(shuō)；秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動(dòng)人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用；大約與此同時(shí)，古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等等。對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個(gè)貢獻(xiàn)的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間，流體力學(xué)沒(méi)有重大發(fā)展。直到15世紀(jì)，意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥(niǎo)的飛翔原理等問(wèn)題；17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門(mén)嚴(yán)密的科學(xué)，卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場(chǎng)等概念，以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律的奠定之后才逐步形成的。流體力學(xué)逐漸發(fā)展17世紀(jì)，力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。他針對(duì)粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是，牛頓還沒(méi)有建立起流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實(shí)際情形還有較大的差別。之后，法國(guó)皮托發(fā)明了測(cè)量流速的皮托管；達(dá)朗貝爾對(duì)運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)工作，證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系；瑞士的歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無(wú)粘流體的運(yùn)動(dòng)；伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)，精心地安排了實(shí)驗(yàn)并加以分析，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程。歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開(kāi)始了用微分方程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)定量研究的階段。從18世紀(jì)起，位勢(shì)流理論有了很大進(jìn)展，在水波、潮汐、渦旋運(yùn)動(dòng)、聲學(xué)等方面都闡明了很多規(guī)律。法國(guó)拉格朗日對(duì)于無(wú)旋運(yùn)動(dòng)，德國(guó)赫姆霍茲對(duì)于渦旋運(yùn)動(dòng)作了不少研究……在上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無(wú)粘流體。這種理論當(dāng)然闡明不了流體中粘性的效應(yīng)。流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)19世紀(jì)，工程師們?yōu)榱私鉀Q許多工程問(wèn)題，尤其是要解決帶有粘性影響的問(wèn)題。于是他們部分地運(yùn)用流體力學(xué)，部分地采用歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行研究，這就形成了水力學(xué)，至今它仍與流體力學(xué)并行地發(fā)展。1822年，納維建立了粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基礎(chǔ)導(dǎo)出了這個(gè)方程，并將其所涉及的宏觀力學(xué)基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡(jiǎn)稱N-S方程)，它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。上面說(shuō)到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時(shí)的特例。普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡(jiǎn)化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等各個(gè)角度，海堤防和水壩等，都會(huì)對(duì)大氣和水環(huán)境造成不利影響，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，甚至加重自然災(zāi)害，這方面國(guó)內(nèi)外已有慘痛的教訓(xùn)。只有處理好土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系，作到保護(hù)環(huán)境，減輕災(zāi)害，才能實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。三、總結(jié)從阿基米德到現(xiàn)在的兩千多年，特別是20世紀(jì)以來(lái)，流體力學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分，同時(shí)又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、天文學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用，尤其是與土木工程有著十分密切的聯(lián)系。今后，人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進(jìn)行流體力學(xué)應(yīng)用性研究，另一方面將更深入地開(kāi)展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律和機(jī)理。后一方面主要包括：通過(guò)湍流的理論和實(shí)驗(yàn)研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計(jì)算模式；多相流動(dòng)；流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用；邊界層流動(dòng)和分離；生物地學(xué)和環(huán)