流體力學在社會的進展和應用

流體力學在社會的進展和應用摘要流體力學作為力學的一門分支，在社會中有著超級重要的作用和極為廣漠的應用前景。早至舊石器時期，人們就已經(jīng)開始了對流體力學的簡單應用。通過幾千年的進展，通過無數(shù)科學家的研究，流體力學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、石油能源等方面得以應用并發(fā)揮了顯著的作用。但在21世紀的今天，面對能源緊缺、環(huán)境污染等問題，如何進展這門學科，使其發(fā)揮應有的作用已是咱們不能不面對的問題。一、關于流體力學的研究背景流體力學是自然界中除固體之外存在的一種物質(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)學持續(xù)函數(shù)作為數(shù)學工具，采取實驗分析與理論研究想結合的方式，來研究流體處于平衡或運動狀態(tài)時的力學規(guī)律及與邊界間的彼此作用規(guī)律的一門科學。流體力學有著極為普遍的應用，是整個工程學和應用科學研究的核心和基礎之一。流體力學對于土木工程、航空航天、氣象學、水利學、海洋學都占據(jù)著舉足輕重的位置，對于今世的科學家和工程師更是必不可少需要熟悉掌握的一部份。航空工業(yè)中飛機的制造需要空氣動力學；造船工業(yè)部門也要用到水動力學；水電站、火電站、核電站、地熱電站，工作介質(zhì)都是液體。機械工業(yè)中的潤滑、冷卻、液壓傳動器都要用到流體力學的知識。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用、澆灌排水，化工流程、石油輸送、環(huán)境保護、交通運輸?shù)纫捕紤玫搅肆鲃恿W。因此，流體力學及其應用有著超級廣漠的前景，研究流體力學的應用對科學技術的進步和社會生活的進展也都起到了極為重要的推動作用。二、流體力學在社會的進展流體力學作為力學重要的一個分支學科，早在幾千年前人們在農(nóng)耕勞作、社會生活當中就已經(jīng)了解熟悉了其中的一些大體規(guī)律和原則。再到今天進展成一個成熟、完整的知識體系，它通過了無數(shù)科學家的科學實驗、推敲驗證，是先輩們盡力智慧的結晶。古時期的流體力學在舊石器時期，前人就已經(jīng)學會了運用一些木棒、石器打制一些簡單的器具用來捕捉動物、采摘果實等，在那個進程中，已經(jīng)表現(xiàn)了尖劈原理的力學應用。新石器時期，人們對浮力和反作使勁的熟悉和應用已經(jīng)超級熟悉了，在中國、荷蘭、埃及等國發(fā)覺的公元前5000年錢的獨木舟、寬翼等就是專門好的例證。而在我國古代春秋戰(zhàn)國和秦朝，對于流體力學在實際操作中的應用更是駕輕就熟。先有的靈渠、鄭國渠再到后來的隋朝的京杭大運河都是古代勞動人民的智慧結晶。流體力學理論研究的先河而最先真正把流體力學作為一門理論學科來研究并作出龐大奉獻的則是古希臘偉大的科學家阿基米德。在公元前3世紀，阿基米德發(fā)覺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水機。這種螺旋揚水機，對那時農(nóng)業(yè)的進展起了專門大作用；船舷里積水，也能夠用它抽干，所以對航運業(yè)也有幫忙。至今，人們還將它稱為“阿基米得螺旋”。在科學技術高度發(fā)達的今天，利用阿基米得螺旋的原理，制成了各類器械用來傳送小塊固體、粉末、粘性液體，做成各類螺旋攪拌混合機械，在實際生活中取得了普遍的利用。而在《論浮體》這本書中，阿基米德則得出了流體力學最重要最基礎的一條定律：“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)學公式表示：F浮=G排二口液?g-V排液。這必然律成功奠定了流體力學的基礎，開創(chuàng)了流體力學理論研究的先河。流體力學的初步形成與進展在這一時期，流體除解決實際生活中的應用問題，在理論研究方面更是進展迅速。1678年，牛頓研究在流體中運動物體所受的阻力，并成立牛頓粘性定律。法國的布道士馬略特在流體力學的研究方面作出了龐大的奉獻。他在1686年發(fā)表了《論水和其他流體的運動》。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不同，給出了圓管流體壓強的散布規(guī)律和計算管壁壓強的公式。馬略特在對流體力學理論和技術上的研究，大大推動了其進展。1738年，丹尼爾?伯努利出版《流體動力學》，在這本書中他將力學中的活力守恒定理引入了流體力學。他得出了最重要的結論伯努利定理即：p+pgz+(1/2)*pJ2=C,其中p、p、v別離為流體的壓強、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動方程。展開了對無黏性無旋流體的平面、空間運動的研究。19世紀開始，科學家們展開了對黏性流體力學的研究。由于初期的科學家在研究流體力學的時候，并無以沒有摩阻的流體為前提。為了解決這些問題，后來一些科學實驗就成立起來了。法國科學家玻爾達在1763年進行了流體阻力實驗。通過他的空氣阻力實驗，他得出結論空氣的阻力不能通過各部份的阻和取得。以后他對水做了實驗，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，并第一開創(chuàng)了研究粘體力學。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論。1852年，雷什通過對波浪運動的觀察和船舶模型的實驗，提出了雷什數(shù)。19世紀末，人們開始了對湍流的研究，并研發(fā)了相應的實驗設備。1891年，徹斯特提出速度環(huán)量產(chǎn)生升力，為成立升力理論創(chuàng)造條件。1932年，德萊頓引進了湍流強度的概念，運用自己設計的熱線流速計，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，流體力學的進展更是迅速。到20世紀中葉以后，流體力學更主要轉而對石油、化工、能源、環(huán)保等方面作出了研究，并與臨近的學科彼此滲透，形成新的學科。二十世紀的流體力學在這一時期，科學家們已經(jīng)不單單停留在理論和實驗設備的研究上了，很多工作都圍繞航天事業(yè)進展而展開。1904年，普朗特通過大量觀察和分析測量后，發(fā)表了《超級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，機翼理論有了專門大的進展。普朗特還提出了第一個可供給用的三維機翼理論。在阿基米德成立阿基米德定理以后，15世紀至17世紀，牛頓、達芬奇、伽利略等人用實驗方式研究了水靜壓力、大氣壓力、孔口出流、壓力傳遞和水的切應力等問題。18世紀以后，流體力學的研究大致分為兩大類：一類是數(shù)學分析的方式進行比較嚴格的推導，成立流體運動的大體方程。在這方面，伯努利、歐拉、雷諾等人作出了龐大奉獻。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出一些經(jīng)驗關系公式，并按照簡化后的一維方程進行數(shù)學分析，成立各運動要素的定量關系。在這方面，畢托、曼寧等人作出了奉獻。而將上述兩類研究達到統(tǒng)一的是由德國人普朗特創(chuàng)建的邊界層理論。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動時的摩阻力。三、流體力學在社會的應用流體力學在土木工程中的應用在土木工程中，流體力學是一門超級重要的基礎課程。在建筑工程中，需要考慮風對挺拔建筑物的作用。在進行基坑施工、地坑的抗?jié)B處置、橋渡的設計等等都依賴水力分析和計算。在實際應用中，超級有必要掌握水、風等一些大體流體的物理性質(zhì)，從而對流體力學的大體方程進行簡化，成立這些流體的大體控制方程，進而進行數(shù)值計算。流體力學的進展相應的推動了工程技術的進展。流體力學在航空航天事業(yè)的應用在航空航天的進展方面，流體力學更是起著舉足輕重的地位。飛行器的受力狀況和阻力等等，都應用到了流體力學。普朗特提出的邊界分層理論，對后來的機翼理論奠定了基礎。為避免邊界層分離和失速，科學家們設計了超臨界翼型。運用薄翼理論，提出了帶彎度翼型的氣動問題。錢學森和卡門別離提出的高聲速相似律和跨聲速相似律，也在機翼理論中得以常常運用。阿克萊的超聲速相似律在超聲速機翼制造中也是重要的理論基礎。飛行器的速度超過聲速，航天飛機應運而生。流體力學解決了飛性能飛，時速能超過音速，飛機做高超音速飛行受熱狀況時的熱保護，高速飛行氣體電離產(chǎn)生的通信中斷四大航空技術上的問題。隨著時期的進步，技術的進展，流體力學在航空事業(yè)中的應用將發(fā)揮更大的作用。流體力學在海洋方面的應用海洋占地球表面積的百分之七十一左右，除能給人類帶來龐大的生態(tài)價值外，水產(chǎn)資源、海運事業(yè)等也帶來了顯著的經(jīng)濟價值。而流體力學的進展對航海事業(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，流體力學的應用為咱們設計出了更快更安全的潛艇等海上工具。設計大排水量的船舶，建造大型海上采油平臺，解決出海時碰到的天氣狀況，對氣候、海速、波浪荷載的預報，檢測大浪對船舶的作用等等技術都用到了流體力學，這不僅為咱們的安全提供了有效的幫忙，也給咱們帶來了大量的經(jīng)濟效益。流體力學在石油、化工、能源等方面的應用計算流體力學等技術在石油、化工等方面發(fā)揮了極為重要的作用。通過計算流體力學，能夠對高壓管道內(nèi)的天熱氣泄漏和擴散進程進行數(shù)值模擬，分析油、水、氣三相分離器設計中存在的問題。在蒸汽輪機里面的蒸汽流動，內(nèi)燃機里面的燃料組織、空氣流動等等都應用到了流體力學。在現(xiàn)今時期，全世界的發(fā)電都是通過葉輪機的，而使得葉輪機的設計得以改良，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中的湍流理論。一樣，汽車的燃料問題。由于流體力學在其中的奉獻，不單單節(jié)約了燃料費，更使得污染減少了百分之九十多。在石油能源的采油中，正是在流體力學的幫忙下，大量無法被開采的原油都能夠取得開采并被有效應用。流體力學不單單幫忙咱們提高了實際操作中的效率問題，更重要的是為咱們節(jié)約了大量的資源。四、對流體力學的展望和觀點能源方面隨著科技的不斷進展，社會的不斷進步，在21世紀的現(xiàn)代，由于世界對能源的需求不斷增加，加速和能源有關的工業(yè)進展已是迫在眉睫。在開采、輸送能源進程中存在著很多流體力學的問題。如去除仍然殘留在巖體中的原油。天然氣、石油等輸送進程中產(chǎn)生的流體驅動問題。水電站的侵蝕，提高燃燒效率等問題。如何更好的應用流體力學解決能源問題已是咱們不能不面對的一個事實。環(huán)境方面伴隨著人類社會的不斷進步，環(huán)境問題也愈來愈嚴峻。酸雨、臭氧層破壞、全世界變暖、臺風、土地沙漠化等等各類問題已擺在了人類的眼前。而在這些問題中，很多都存在著流體力學的問題，環(huán)境流體力學也已進展成為一門重要的學科。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)流進程中影響到的地球氣候變暖問題，特大洪水的暴發(fā)，泥石流、泥沙等石流運動的問題。這就需要咱們研發(fā)新的清潔能源，減少污染物的擴散運輸，有效的避及災害，控制好壞境的污染，而這些進程中，流體力學的進展都為其提供了極大的幫忙。生物方面生物學是一門研究生命結構、功能等方面，與人類緊密相關的學科。不僅與人類的健康，和環(huán)境、農(nóng)業(yè)等各方面都有著超級緊密的關系。在生物學中，細胞力學對21世紀的今天更是極為的重要。細胞力學是為了研究細胞的運動、割裂、散布、轉變等機理，對其與血管、皮膚、骨骼組織等疾病的改善、醫(yī)治有著重要的作用。流體動力學與生物學相交叉、彼此應用、密不可分，對解決各類疾病，維持病人正常的新陳代謝，身體各個性能正常的運作都有著重要的奉獻。由此看來，流體力學在各方面都有著重要的應用和極為廣漠的前景。無論是對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)進展仍是對經(jīng)濟建設的穩(wěn)固提高都有著龐大的幫忙。深化和進展流體力學，將其與生物、氣象、電磁學等各個學科彼此交叉、貫通形成新的學科，應對新世紀出現(xiàn)的各類復雜困難的問題，已是現(xiàn)今時期不可阻擋的潮流趨勢。五、參考資料郭榮倆、郭清南、祝世興,《流體力學及其應用》，機械工業(yè)出版社，1996，第2頁.郭永懷、陸士嘉,《流體力學概論》，科學出版社，1987，第1頁.韓向科、錢若軍，流體力學大體理論研究綜述，《空間結構》，2008,14(3)，9~12張涵信、周恒，流體力學的基礎研究，《世界科技研究與進展》，2001,23(3)，15~18.朱俊鋒、梅群、李一帆，淺談土木工程專業(yè)工程流體力學課程教學改革，《山西建筑》，2010,36(23)，224~225.董德國、郭卓民、焦楠，計算流體力學在海洋石油行業(yè)的應用，《科苑觀察》，2004,22(19)