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      流體力學(xué)中的流面定義是什么?

      更新時(shí)間:2020-04-01      點(diǎn)擊次數:4256

      流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支,它主要研究流體本身的靜止狀態(tài)和運動(dòng)狀態(tài),以及流體和固體界壁間有相對運動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)的規律。
      流體力學(xué)中研究得多的流體是水和空氣。它的主要基礎是牛頓運動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律,常常還要用到熱力學(xué)知識,有時(shí)還用到宏觀(guān)電動(dòng)力學(xué)的基本定律、本構方程和物理學(xué)、化學(xué)的基礎知識。
      1738年伯努利出版他的專(zhuān)著(zhù)時(shí),首先采用了水動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞并作為書(shū)名;1880年前后出現了空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞;1935年以后,人們概括了這兩方面的知識,建立了統一的體系,統稱(chēng)為流體力學(xué)。
      除水和空氣以外,流體還指作為汽輪機工作介質(zhì)的水蒸氣、潤滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高壓作用下的金屬和燃燒后產(chǎn)生成分復雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等。
      氣象、水利的研究,船舶、飛行器、葉輪機械和核電站的設計及其運行,可燃氣體爆炸,以及天體物理的若干問(wèn)題等等,都廣泛地用到流體力學(xué)知識。許多現代科學(xué)技術(shù)所關(guān)心的問(wèn)題既受流體力學(xué)的指導,同時(shí)也促進(jìn)了它不斷地發(fā)展。1950年后,電子計算機的發(fā)展又給予流體力學(xué)以極大的推動(dòng)。
      流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史
      流體力學(xué)是在人類(lèi)同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來(lái)的。古時(shí)中國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(zhù)作用;大約與此同時(shí),古羅馬人建成了大規模的供水管道系統等等。
      對流體力學(xué)學(xué)科的形成作出貢獻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定性在內的液體平衡理論,奠定了流體靜力學(xué)的基礎。此后千余年間,流體力學(xué)沒(méi)有重大發(fā)展。
      直到15世紀,意大利達·芬奇的著(zhù)作才談到水波、管流、水力機械、鳥(niǎo)的飛翔原理等問(wèn)題;17世紀,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)嚴密的科學(xué),卻是隨著(zhù)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。
      17世紀,力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運動(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動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。他針對粘性流體運動(dòng)時(shí)的內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,他提出的許多力學(xué)模型和結論同實(shí)際情形還有較大的差別。
      之后,法國皮托發(fā)明了測量流速的皮托管;達朗貝爾對運河中船只的阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗,證實(shí)了阻力同物體運動(dòng)速度之間的平方關(guān)系;瑞士的歐拉采用了連續介質(zhì)的概念,把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運動(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)驗并加以分析,得到了流體定常運動(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)科建立的標志,從此開(kāi)始了用微分方程和實(shí)驗測量進(jìn)行流體運動(dòng)定量研究的階段。從18世紀起,位勢流理論有了很大進(jìn)展,在水波、潮汐、渦旋運動(dòng)、聲學(xué)等方面都闡明了很多規律。法國拉格朗日對于無(wú)旋運動(dòng),德國赫爾姆霍茲對于渦旋運動(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。這種理論當然闡明不了流體中粘性的效應。
      19世紀,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。于是他們部分地運用流體力學(xué),部分地采用歸納實(shí)驗結果的半經(jīng)驗公式進(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動(dòng)方程;1845年,斯托克斯又以更合理的基礎導出了這個(gè)方程,并將其所涉及的宏觀(guān)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(chēng)N-S方程),它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎。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、數學(xué)論證和實(shí)驗測量等各個(gè)角度,建立了邊界層理論,能實(shí)際計算簡(jiǎn)單情形下,邊界層內流動(dòng)狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時(shí)普朗克又提出了許多新概念,并廣泛地應用到飛機和汽輪機的設計中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍,又能計算物體運動(dòng)時(shí)遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統一。
      20世紀初,飛機的出現極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展,期望能夠揭示飛行器周?chē)膲毫Ψ植?、飛行器的受力狀況和阻力等問(wèn)題,這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗和理論分析方面的發(fā)展。20世紀初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學(xué)家,開(kāi)創(chuàng )了以無(wú)粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論,闡明了機翼怎樣會(huì )受到舉力,從而空氣能把很重的飛機托上天空。機翼理論的正確性,使人們重新認識無(wú)粘流體的理論,肯定了它指導工程設計的重大意義。

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