PDF《对流 体 力学 的研究方 向和》

第3期中国科学基金对流体 力学的研究方向和 若干近期工作的几点看法 启竺 ` 轰.

声日一摘要 本文简述 了流体力学研 究的 概貌和 新动向 , 讨论 了湍流 、 多相流 、 流体一结构物相互作用 、 物 理化学流体力学和计算流体动力学等五方面 的若干近期研究 课题 . 概况和动向流体力学是 力学 学科 中最主 要 的分支 领域 之一 l [ '

. 力学是研 究物 质的 机械 运动 和变形 的 科学 , 它的发 展 经历了 几 个重大 阶段 : ( l )

1 7 世 纪牛 顿经 典力学 体 系的建 立,奠定了近代物 理学和天 文学 的基 础、导致了18世纪第一次 工业 革命 ;

(

2 ) 微积 分的发 现 和连续 介质 力学方 程的建立 ( 这是指从

1 8 世 纪提 出Euler方程 、

1 9 世 纪提 出Nvaie卜Stokes方程 到 本世纪初 P r - a n id l 提 出边 界层方 程的 近一 个半 世纪 ) 以 及风洞 实验 技术 的发 展导 致了本世 纪 中叶 空气 动 力学和 力学发 展的 一 个鼎 盛时 期,力学以 先导和 带头作 用推 动了 航空 、 航天事 业的 发展,使人类突破 声障 和 热障 而进 人高 速航行 和 空间 时代 . 流体 力学 现阶 段发 展的 新动 向,具有以下几 个明显 的特点 :

1 . 应 用领域 大大 扩充 , 理论与应 用的结 合 更加紧 密.力学通过 物理 化、计算 机 化和 实验定 量 化向纵 深推 进.流体力学原 来 主要应 用于 航空 和水利 , 目前 的应 用领域 有航 空与 航天 、 能源与资 源、生物 、 生态 与环 境、海洋 、 地球 内部与 星 际空 间等 . 理 论与应 用之 间的 反馈 周期 大大 缩短,两者 的结合 更加 紧密.2.流体 力学大 力 向新技 术领 域,向其 它 学科 以及力学 学科 内的 其它分 支渗 透,逐步开 拓并 形成若干 新的 边缘 和交 叉领域 : 如环境流体 和地 球物理 流体力 学、宇宙气 体动 力学 、 气 体光 学 和物理 化学 流体 力学 等;

又如介于流体 力 学和固 体力学 之 间的流 一 固祸合 和流 变学 问题 的研 究都已有一 定 的或相 当长 的历 史,但因现 今 海上 钻井 平 台载荷 和建 筑物风 载等 问题 以及高 聚 物合 成工 业和石油工 业 等的需 要 而使流 一 固祸合和 流变 学的研 究大 大活跃 起来 .

3 . 物理化是 力学 发 展的一个 共同特点 . 物理 化的 实质 是微观 化,是进行微 观、细观 到宏 观 层次的 综合研 究.从物 质 的微观 结构 及其运动规 律来 确定 物质 的宏观 性质是 钱学 森教授 最先倡导的物 理 力学 的内 容1[〕. 以细观 ( 如 分子 团,微粒 、 气 泡或液 滴 )为基 础,阐明物 质 内在 规律 , 阐明流体 宏观 运动 和 细观运 动之 间相互 作 用现 象的研 究,现在正 从线性 、 单相 和均 匀问 题转 向研究非线性 、 多相 和 非均匀 问题 .

4 . 计算机和计 算 流体 力学的 发 展大大开 拓 了流体 力学 为工 程服 务的规模 和 能力 , 同时 也*中国科学 院力学研究所研究员 . . 口 禅彝一 中国科学基金1988年:,.i'

一―---一_使流体 力学 进人 到计算 机实验 的 新阶段 . 例 如最早 发现 的浑 沌运动 的例子 是在 数值模 拟大气 对流问题时发 现的(1963)年 . 计 算机 有可能 运算 出新的 现象 和规 律,帮助并开 拓 了人们的 思维,从而 大大 改变 了流体 力学研 究的 格局 , 理论一计算 一 实验 三 者关系 更加 密切 , 计算 流体动 力学形成 了一个 主 要的 分支领 域.5.以激 光 为基础 的非接 触流 场诊 断技术 的迅速 发 展大 大扩 充了流 体力 学实验 研究领域.例如,光子相关 法、激光粒 子成象 测速 、 粒子 动态 分析 、 全息 术、激光 多普勒 法、激光光谱 法等 结合 计算 机的 使用 , 打开 了对流 体力 学实验 进行微 观一 细观 一 宏观 的综 合检测 并数 值仿 真的 新 时代 .

二、对若干研究 方向和近期工作 的几点 看法

1 . 湍流 湍流 和湍 流交换 现象 在天体 、 大气、海洋、江河湖 泊、地慢对 流、生物 圈、流体 动力 机械 和运 输器 的绕流 流场 中到 处存在 , 因 此湍 流是 流体力 学 中最 有普 遍 和实际 意义 、 也 是最 困难 的基本 科学 问题 . 美 国把 湍流列 为下 一世 纪可 取得 突破性 进展 的八 大科技 项 目之一 , 分 析其 科学 根 据我 们认为主 要 在于 : ( l ) 科学 ( 或称 巨型 ) 计算 机的迅 速发 展,将使人们 能够使 用很 小于 K o l m o g o r o v 湍流 微尺度 的 计算 网格 , 直接 数值 仿真 实验室 和工 程规 模的 湍流 现象 , 这是 十分 重 要的 . (

2 ) 湍流研 究 的关键 是 实验 . 以激 光为基 础的 非接触 测试 技术 的蓬 勃发 展,计算机数据 采集处理和 图象 显示 能力的 大幅 度提 高,将使人 们有 可能 从分子 、 分 子团 直到大 尺度 旋 涡结构 对 湍流 及转 挨 现象进 行更深 人细 致的 实验 研究.例如近年 来正 在兴 起的 连续 波可 调谐 激光 诱导荧光(或吸收 ) 光谱 流场 诊断技 术LZ , 不 仅具 有非接 触测 量、空间分 辨率高、无需在 被 测流场 中添加 微粒 等使 流场 严格 地不受 扰动 的优 点,而且 有可能 对大体 积流 场 实现 空间 多点 和多 参数(包括速度 、 压力、密度 和 温度 等)同时定 量检 测.可调 谐染料 激 光器的 频率 和时 间分 辨率将 会 大幅度提 高,本世纪

9 0 年 代频 率分 辨率 可望达 到1赫芝〔4

1 , 这相 当于 光谱分 辨速 度的 能力 为l.一` 米/秒量 级,从而为 大体 积三维 湍流 流场 的精 细检测 提供 了诱 人的前 景.(3)关于 动力 学系统和数 学 系统的 不稳定 性 和分叉 而导 致混沌 现象 的近 期发 现,以及湍 流拟 序结 构的 新发 现,使人们 对 自然规 律有 了新的 认识,揭示 了湍 流和 其它一 些 自然现 象的 内在 联系 , 为 湍流研 究提 供 了一些 可能 的新途 径.(4)近百年 来湍流 研 究积 累了丰 硕的成 果,吸引了众 多的研 究人才,包括 力学 、 物理、数学等方面 的 高水平 人才 . 湍流 无疑 是流体 力学 未来研 究的 一 个主要 方向,但在近 期内,计算 机 以及 非接触 测 试技 术还有很 大的差 距,特别在 我 国更是这 样.因此 , 近 期课 题 的选择 需要 明确 目标 突 出重点 , 既要为长远研 究打基 础、又要 能 够取得较 明显的阶段 成果.近期选 题的 几点建 议 如下 : ( l ) 重视 和 有计划地 开展以激 光为基 础的 非接 触流场 检 测新技 术和 测量 新方 法的研究 , 同时开 展相应 的理 论分析 和数 值模 拟,进行 从 分子 团到大尺 度涡综合研 究湍流 的探 索.例如,上节提 到的 连续波 可调 谐激 光光谱 流场检 测技 术可 能是最 值得 重点 支持 的项 目,当然 也应 当发展其他的 有效检 测技术 和 方法 . (

2 ) 有选择 地 开展 湍流 的 直接数值 仿真 ( D T S ) . 尽管 采 用什 么方程描 述 湍流 仍有争 议,第3期高智:对流体 力学的研究方向 和若干 近期 工作的几 点看法

1 1 但比 较得 到公 认的 , 目前 仍是 N a v ie r 一Stokes(NS)原始 方程 . N S 原 始方 程经 R e y n o l d s 平 均运 算后 、 得到两个 非完全 的方 程组 、 因此存 在封 闭性 问题 ;

N S 原 始方 程经 滤波 运算 后的大涡模 拟,同样 存在 封 闭性 问题.恰当的 封 闭方案可 以合理 地算 出脉 动强度 和eRyonlds应力 等湍 流特 性,对工程应 用是 十分 需要的 . (

3 ) 粘性 剪切 流动 不稳 定、转披 和大 尺度拟 序结构 之 间的关 系,同时 结合其他 一 些过程 ( 例如光学不 稳定 性和混 沌态 , 气 泡破碎 等)的不稳定 、 分 叉与 混沌 现象 , 探 讨确定 性 系统 内在 随 机性 的 共同规 律.(4)积极 开展 湍流 控制 和利 用的研 究,开展 湍流 减阻 和减 轻流动 噪声的 研究.2.多相 流体 力学 多相流 体力 学是研 究 同种或 异种 化学成 分 多相 介质 (例如,液一气两相 和液 一气一固三相 等,共存 条件 下的 流体 动力学 特性 . 多相介质流动 在 自然界 、 工程技 术 领域和 日常 生活 中广泛存 在)例如风 沙,含尘埃 的大气 和 云雾 , 江河 湖泊污 染,石油的开 采、运输和 炼制 , 化学工 业 中各种 炉、塔和 床中 的流动 , 金 属冶 炼,等离 子体 喷涂,雾化器流 、 航空 与 航天 飞行器 的粒 子云侵 蚀 等等 . 因此 , 多相流 研 究不 仅服 务面广 , 应 用价 值大 , 而且 也是 许多流 体力 学分 支领域 如环 境流体 力学、燃烧空气动 力 等的共 同基 础.近年来多相 流研 究文 献年年 数 以千计 , 从实 验检测 ( 观 察流 型,测量各 相的 速度 、 流量 、 尺寸、浓度 、 体积分数 和 温度分布等 ) 、 半 经验 处理和数值 求解 多相 流基 本方 程等 多条途 径进行 研究.尽管 如此 , 在多相流 的定 量计算 与人 们的定 性 知识之 间还 存在很大 的差距 , 实验检 测 各相的流 速 目前 有 的还 不可能 , 多相流 问题 的解决 还要 经历 一段 路程 . 这是由于 多相流 动 实际上 是一 种非定常 、 非平衡 和 非稳定 的流动 , 影 响因素 很多,且有不 确定 性,是一种 不 确定 的 科学 . 因而需 要不 断改 进和完 善 我们的研 究对 策,以便 能够抓 住问题的 核心 . 关 于近 期工 作的 几点建 议 如下 : ( l ) 多相流 的基 本方 程组 及其数 值模 拟.多相 流的基 本方 程组 通常采 用时 间平均 或 空间 平均 方 法导 出.方程组 类型较 多,但多是不 完备 的方 程组 , 与 湍流 平均方 程的 求解一 样,存在 困难 的封闭问 题,且不确 定 因素较 多.虽然 如此 , 数 值模 拟多相 流 问题对工 程设 计依 然十分 有用〔5 ,

6 ] . 使 用无 量 纲化 多相流 方程 组数 值结果 的 必要前提 是存 在相 似律 , 对此 , 机理 性 研究 (例如流型 及其 变化 、 相与 相交 界处 的界面 现象 等 )很 有 必要 , 把熟知的单 相流 结果推 广 到多 相流 情况将大 有利于 问 题的解 决.(2)结合工 程 和工 艺过 程设计 的要 求,积极 发展 多相 流的 实验检 测和 流场显示 技术.(3)多相 悬浮体 系 (即 流体 中 包含 大量尺 寸在

1 0一2一102 微 米大小 的固体 微粒 或液 滴 或微 气泡时组成 的流体 一微粒体 系)的细观 研究.研究微 粒集合 的动 力学 、 微 粒沉 降、相互作 用 以及 微 粒聚 并 等特性 , 微粒 群 绕流环 境的 流场特 性,微粒与 流体 之间 的动量 、 能量 与质 量交 换特 性,以及 整个 悬浮 体 系的动 力学 特性 ( 如输运 特性 和流 变特性 等).研究 从确 定 性运动 到扩 散 占优 势的微粒 运动 的过 渡理 论等.(斗) 多相 湍流研 究.对气 一固、液一固两相 流动 , 研 究颗 粒跟 随性 、 以及颗 粒随 机运 动与气 ( 液)体湍 流运动 之间 的相互 关系 . 中国科学基金伪色龟 年3.流体与结 构物 的相 互作 用 流体 与结构 物的 相互作 用是 工程技 术 界十分关 心的基 本 问题 , 例 如航天 器和航 空器 的阻 力 和气 动加 热问 . 题、结构 物 的风 载和浪载 、 流 动管道 的磨损 、 流 动诱 导结 构物振 动 以及声 一 流动 诱 导振 动 等等 . 因此流 体与 结构物 的相 互作 用从来就 是流 体力 学研 究的一 个 核心内容 . 这类问题的 解决 , 除实 验和理 论分 析外 , 数值模拟 变得十 分重要 . 流 体与 结构 物的 相互作 用既 涉及 流 体和 固体 自身 的问 题,还涉 及流 一 固之 间的动 力学 藕合甚 至热 藕合 问题 . ( l ) 关 于流体 力学方 面的 问题 . 复杂 流动 〔例 如无粘和 粘 性千扰 流动 等)的数值 模拟 已获得越来 越大的成 功,但仍 有不少 复杂且带 有共同 性的基 本问 题,它们的 解决 需要 实验 一 计算 一理论三方面 的共 同努力 . 这些问题主 要有:(a)分 离一旋涡流动 . 流动 分离 和旋 涡 (包括 旋 涡的形 成、脱落 、 发展 和破 碎或流 动再 附 )往 往是 联系 在一起 的,并且 往往 是湍流 和 非定常 流动.关于 它们的实 验研 究,哑待发 展大体 积流场 多点 、 多参数 的同 时定 量 检测技 术 (例 如湍 流中提 到的 连续波可 调谐 激光 光谱 流场 诊断技 术等),以期获 得空 间多点 处的 速度 、 温 度和 压力等实 测资料 , 获得 分离 一 旋涡 流动的 流型 显示 , 使 我们能 够 看到 分离 一 旋涡 流动的 内部 结构.在理 论研 究方面,分离 性态及 ................