研究流體最常用的方法(流體力學(xué)的研究方法)

1.流體力學(xué)的研究方法有哪些

進(jìn)行流體力學(xué)的研究可以分為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析、數(shù)值計(jì)算四個(gè)方面：現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動(dòng)現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，從而總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并借以預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變。

過去對(duì)天氣的觀測(cè)和預(yù)報(bào)，基本上就是這樣進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)?zāi)M不過現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復(fù)出現(xiàn)，影響到對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律的研究；現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)還要花費(fèi)大量物力、財(cái)力和人力。

因此，人們建立實(shí)驗(yàn)室，使這些現(xiàn)象能在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。同物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科一樣，流體力學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)，尤其是對(duì)新的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的研究。

實(shí)驗(yàn)?zāi)茱@示運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其主要趨勢(shì)，有助于形成概念，檢驗(yàn)理論的正確性。二百年來流體力學(xué)發(fā)展史中每一項(xiàng)重大進(jìn)展都離不開實(shí)驗(yàn)。

理論分析理論分析是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下：首先是建立“力學(xué)模型”，即針對(duì)實(shí)際流體的力學(xué)問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。

流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動(dòng)等。數(shù)值計(jì)算其次是針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，用數(shù)學(xué)語言將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律表達(dá)出來，從而得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

此外，還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式（例如狀態(tài)方程），或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。

求出方程組的解后，結(jié)合具體流動(dòng)，解釋這些解的物理含義和流動(dòng)機(jī)理。通常還要將這些理論結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定所得解的準(zhǔn)確程度和力學(xué)模型的適用范圍。

從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數(shù)學(xué)問題，所以流體力學(xué)的發(fā)展是以數(shù)學(xué)的發(fā)展為前提。反過來，那些經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐考驗(yàn)過的流體力學(xué)理論，又檢驗(yàn)和豐富了數(shù)學(xué)理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進(jìn)行數(shù)學(xué)研究、發(fā)展數(shù)學(xué)理論的好課題。

在流體力學(xué)理論中，用簡(jiǎn)化流體物理性質(zhì)的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變量和減少未知函數(shù)等方法來簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)問題，在一定的范圍是成功的，并解決了許多實(shí)際問題。對(duì)于一個(gè)特定領(lǐng)域，考慮具體的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的具體環(huán)境后，抓住主要因素忽略次要因素進(jìn)行抽象化也同時(shí)是簡(jiǎn)化，建立特定的力學(xué)理論模型，便可以克服數(shù)學(xué)上的困難，進(jìn)一步深入地研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。

20世紀(jì)50年代開始，在設(shè)計(jì)攜帶人造衛(wèi)星上天的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，配合實(shí)驗(yàn)所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡(jiǎn)化，才能及時(shí)得到指導(dǎo)設(shè)計(jì)的流體力學(xué)結(jié)論。此外，流體力學(xué)中還經(jīng)常用各種小擾動(dòng)的簡(jiǎn)化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。

聲學(xué)是流體力學(xué)中采用小擾動(dòng)方法而取得重大成就的最早學(xué)科。聲學(xué)中的所謂小擾動(dòng)，就是指聲音在流體中傳播時(shí)，流體的狀態(tài)（壓力、密度、流體質(zhì)點(diǎn)速度）同聲音未傳到時(shí)的差別很小。

線性化水波理論、薄機(jī)翼理論等雖然由于簡(jiǎn)化而有些粗略，但都是比較好地采用了小擾動(dòng)方法的例子。每種合理的簡(jiǎn)化都有其力學(xué)成果，但也總有其局限性。

例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播；忽略了粘性就不能討論與它有關(guān)的阻力和某些其他效應(yīng)。掌握合理的簡(jiǎn)化方法，正確解釋簡(jiǎn)化后得出的規(guī)律或結(jié)論，全面并充分認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)化模型的適用范圍，正確估計(jì)它帶來的同實(shí)際的偏離，正是流體力學(xué)理論工作和實(shí)驗(yàn)工作的精華。

流體力學(xué)的基本方程組非常復(fù)雜，在考慮粘性作用時(shí)更是如此，如果不靠計(jì)算機(jī)，就只能對(duì)比較簡(jiǎn)單的情形或簡(jiǎn)化后的歐拉方程或N-S方程進(jìn)行計(jì)算。20世紀(jì)30~40年代，對(duì)于復(fù)雜而又特別重要的流體力學(xué)問題，曾組織過人力用幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間做數(shù)值計(jì)算，比如圓錐做超聲速飛行時(shí)周圍的無粘流場(chǎng)就從1943年一直算到1947年。

數(shù)學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步，以及流體力學(xué)各種計(jì)算方法的發(fā)明，使許多原來無法用理論分析求解的復(fù)雜流體力學(xué)問題有了求得數(shù)值解的可能性，這又促進(jìn)了流體力學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展，并形成了“計(jì)算流體力學(xué)”。從20世紀(jì)60年代起，在飛行器和其他涉及流體運(yùn)動(dòng)的課題中，經(jīng)常采用電子計(jì)算機(jī)做數(shù)值模擬，這可以和物理實(shí)驗(yàn)相輔相成。

數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M相互配合，使科學(xué)技術(shù)的研究和工程設(shè)計(jì)的速度加快，并節(jié)省開支。綜合方法解決流體力學(xué)問題時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析和數(shù)值計(jì)算幾方面是相輔相成的。

實(shí)驗(yàn)需要理論指導(dǎo)，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結(jié)論。反之，理論分析和數(shù)值計(jì)算也要依靠現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬給出物理圖案或數(shù)據(jù)，以建立流動(dòng)的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模式；最后，還須依靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些模型和模式的完善程度。

此外，實(shí)際流動(dòng)往往異常復(fù)雜（例如湍流），理論分析和數(shù)值計(jì)算會(huì)遇到巨大的數(shù)學(xué)和計(jì)算方面的困難，得不到具體結(jié)果，只能通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行研究。

2.流體力學(xué)的研究方法

可以分為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析、數(shù)值計(jì)算四個(gè)方面： 根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下：

①建立“力學(xué)模型”

一般做法是：針對(duì)實(shí)際流體的力學(xué)問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)（見連續(xù)介質(zhì)假設(shè)）、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體（見粘性流體）、平面流動(dòng)等。

②建立控制方程

針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，用數(shù)學(xué)語言將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律表達(dá)出來，從而得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式（例如狀態(tài)方程），或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。流體運(yùn)動(dòng)在空間和時(shí)間上常有一定的限制，因此，應(yīng)給出邊界條件和初始條件。整個(gè)流動(dòng)問題的數(shù)學(xué)模式就是建立起封閉的、流動(dòng)參量必須滿足的方程組，并給出恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和初始條件。

③求解方程組

在給定的邊界條件和初始條件下，利用數(shù)學(xué)方法，求方程組的解。由于這方程組是非線性的偏微分方程組，難以求得解析解，必須加以簡(jiǎn)化，這就是前面所說的建立力學(xué)模型的原因之一。力學(xué)家經(jīng)過多年努力，創(chuàng)造出許多數(shù)學(xué)方法或技巧來解這些方程組（主要是簡(jiǎn)化了的方程組），得到一些解析解。

④對(duì)解進(jìn)行分析解釋

求出方程組的解后，結(jié)合具體流動(dòng)，解釋這些解的物理含義和流動(dòng)機(jī)理。通常還要將這些理論結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定所得解的準(zhǔn)確程度和力學(xué)模型的適用范圍。 前面提到的采用簡(jiǎn)化模型后的方程組或封閉的流體力學(xué)基本方程組用數(shù)值方法求解。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使許多原來無法用理論分析求解的復(fù)雜流體力學(xué)問題有了求得數(shù)值解的可能性。數(shù)值方法可以部分或完全代替某些實(shí)驗(yàn)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。數(shù)值計(jì)算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。

四種研究方法之間的關(guān)系：

解決流體力學(xué)問題時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析和數(shù)值計(jì)算幾方面是相輔相成的。實(shí)驗(yàn)需要理論指導(dǎo)，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結(jié)論。反之，理論分析和數(shù)值計(jì)算也要依靠現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬給出物理圖案或數(shù)據(jù)以建立流動(dòng)的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模式；最后，還須依靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些模型和模式的完善程度。此外，實(shí)際流動(dòng)往往異常復(fù)雜（例如湍流），理論分析和數(shù)值計(jì)算會(huì)遇到巨大的數(shù)學(xué)和計(jì)算方面的困難，得不到具體結(jié)果，只能通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行研究。

3.常見的流體輸送方式有哪幾種

1高位槽送料

化工生產(chǎn)中，各容器、設(shè)備之間常常會(huì)存在一定的位差，當(dāng)工藝要求將處在高位設(shè)備內(nèi)的液體輸送到低位設(shè)備內(nèi)時(shí)，可以通過直接將兩設(shè)備用管道連接的辦法實(shí)現(xiàn)，這就是所謂的高位槽送液。另外，在要求特別穩(wěn)定的場(chǎng)合，也常常設(shè)置高位槽，以避免輸送機(jī)械帶來的波動(dòng)。如圖51所示，脫甲醇塔的回流就是靠高位的塔頂冷凝器來維持的。高位槽送液時(shí)，高位槽的高度必須能夠保證輸送任務(wù)所要求的流量。

高位槽的液體需通過泵壓送或負(fù)壓輸送提升到高位槽。在提升的過程中由于流體的摩擦，很容易在高位槽或計(jì)量槽產(chǎn)生靜電火花而引燃物系，因此，在往高位槽或計(jì)量槽輸送物料流體時(shí)，除控制流速之外，還應(yīng)將流體人口管插入液下。凡是與物料相關(guān)的設(shè)備、管線、閥門、法蘭等都應(yīng)形成一體并可靠的接地。

2真空抽料

真空抽料是指通過真空系統(tǒng)的負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)流體從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的操作。如圖52所示，先將燒堿從堿貯槽放人燒堿中間槽1內(nèi)，然后通過調(diào)節(jié)閥門，利用真空系統(tǒng)產(chǎn)生的真空將燒堿吸入高位槽2內(nèi)。

真空抽料是化工生產(chǎn)中常用的一種流體輸送方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，沒有動(dòng)件，但流量調(diào)節(jié)不方便，需要真空系統(tǒng)，不適于輸送易揮發(fā)的液體，主要用在間歇送料場(chǎng)合。

有機(jī)溶劑采用桶裝真空抽料時(shí)，由于輸送過程有可能產(chǎn)生靜電積累，因此輸送系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)有良好的接地系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)的管線應(yīng)當(dāng)采用金屬，不應(yīng)采用非金屬管線。桶裝真空抽料快結(jié)束時(shí)，由于液位降至吸口以下，很可能產(chǎn)生靜電放電，由于采用非導(dǎo)體吸管，吸管會(huì)帶上很高的電荷，在移至罐口時(shí)會(huì)出現(xiàn)放電火花而引燃或引爆料桶內(nèi)液體蒸氣。

在連續(xù)真空抽料時(shí)（例如多效并流蒸發(fā)中），下游設(shè)備的真空度必須滿足輸送任務(wù)的流量要求，還要符合工藝條件對(duì)壓力的要求。

真空輸送如果是易燃液體，需注意輸送過程的密閉性，系統(tǒng)和易燃蒸氣形成爆炸性混合系，在點(diǎn)火源的作用下就會(huì)引起爆炸。空氣和蒸氣的混合物在流動(dòng)過程中增大了產(chǎn)生靜電放電的可能性，這是十分危險(xiǎn)的。真空輸送物料其真空泵的電氣帶有大量的液霧或蒸氣，真空破壞，空氣就會(huì)進(jìn)入這種液霧或蒸氣若不冷凝回收處理，直接排放就會(huì)很容易在擴(kuò)散中遇到引火源而發(fā)生爆炸或燃燒。采用負(fù)壓往往是出于安全考慮。負(fù)壓操作的關(guān)鍵是防止易燃易爆氣體或粉塵大量抽人真空泵，因此真空泵前應(yīng)有洗滌或過濾裝置。其次，恢復(fù)常壓時(shí)應(yīng)小心，一般應(yīng)待溫度降低后再緩緩放進(jìn)空氣，以防氧化燃燒。負(fù)壓操作的設(shè)備不得漏氣，以免空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部形成爆炸性混合物而增加燃燒爆炸危險(xiǎn)。此外，設(shè)備強(qiáng)度應(yīng)符合要求，以防抽癟而發(fā)生事故。

3壓縮空氣送料

采用壓縮空氣送料也是化工生產(chǎn)中常用的方法。例如酸貯槽，如圖53所示，先將貯槽中的酸放人容器，然后通人壓縮空氣，在壓力的作用下，將酸輸送至目標(biāo)設(shè)備。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無動(dòng)件，可間歇輸送腐蝕性大不易燃易爆的流體，但流量小且不易調(diào)節(jié)，只能間歇輸送流體。

壓縮空氣送料時(shí)，空氣的壓力必須滿足輸送任務(wù)對(duì)揚(yáng)程的要求。