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1、流体力学漫谈,2007年11月28日,林 建 忠,一.流体力学的应用属性 二.流体力学的科学属性 三.流体力学的研究手段 四.流体力学的主要领域,一.流体力学的应用属性,船舶海洋,航空航天,大气环流,水利枢纽,石油勘探,流体机械,建筑桥梁,仿生推进,环境保护,交通堵塞,人体生命,材料特性,体育运动,化工过程,二.流体力学的科学属性,1. 物理属性,力,静力学,动力学,运动,层流,湍流,流体模型,分子模型,连续介质模型,确定,随机,MD,Liouville,DSMC,Boltzmann,欧拉,Burnett,N-S方程,解决流体力学的基本框架,刚体,流场Navier-Stokes方程,牛顿第二定
2、律,流体微团,宏观足够小、微观足够大,不可压,2. 数学属性,2000年，美国克雷数学所 选定七个“千年大奖问题”, 其中之一是Navier-Stokes 方程的存在性与光滑性。,三.流体力学的研究手段,1. 解析方法,(1) 用几何条件简化管流,(2) 大惯性流场忽略粘性,(3) 大粘性流场忽略惯性,2. 数值计算,种类：有限元、有限差分、 有限体积、谱方法 目标：高精度、高分辨率、 高效。 难点：多尺度多物理流动 问题：计算机、计算技术,真实复杂物体 绕流中的网格 生成,快速有效并行 算法及配套专 用并行计算机,3. 实验研究,作用：(1)发现物理和自然 现象如转捩、拟序结构、涡 破裂。(
3、2)验证理论和计算。 方式：流动显示和定量测量 仪器：热线、LDA、PIV 问题：复杂流场的测量精度,PIV、PTV 激光测速技 术 、流动 显示技术,风 洞,水 洞,四.流体力学的主要领域,1. 湍流,层 流 场,湍流场,经典物理学最后疑团,湍流,层流,(1) 统计理论,雷诺及其雷诺平均,雷诺平均运动方程,不封闭,周培源湍流理论 建立脉动速度关 联量方程求解,湍流模式理论，在工程以 及商业软件中广泛应用。,湍流中的 拟序结构,(2) 拟序结构,有结构,无结构,(3) 数值模拟, 直接数值模拟(DNS)，限 于简单流场 模式理论(无普适模式) 大涡模拟(介于两者之间),(4) 非线性动力学方法
4、, 混沌理论 分叉理论 分数维,(5) 流动稳定性,独怜幽草涧边生，上有黄鹂深树鸣， 春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。,2. 非牛顿流,胶体、塑料、高分子聚合物 粘非弹性流体、粘度依赖 时间、粘弹性流体,应力和应变率具有复杂关系,3. 微流体力学,宏观足够小、微观足够大,Kn=分子自由程 / 特征尺度 Kn0.1, N-S方程不可用；0.110，自由分子流。,应用：微芯片、微机电系统 特点：表面积与体积之比大 壁面效应大，对流传热率大 问题：方程和边条的适用性 扩散和混合规律，层流向湍 流转捩，流体性质如有无极 性、PH值等对流动影响。,微型换热器,微喷管19微米,生物芯片,静态微混合器,毛细
5、管电泳是重要分离技术，增加 通道长度可提高分离效果，常引进 弯道，负作用。改变壁面电荷分布,改 进 前,改 进 后,4. 多相流体力学,若气、液、固两相以上存在,常规颗粒(圆球、10微米以上 量级)已有很多结果。超常规 (非圆球如圆柱、更小固粒),(1)柱状固粒多相流,普遍：冰晶、污染物、微生 物、谷物与胶囊、纸浆、纤 维复合材料成型、气纤等。 难点：非各向同性，除空间 分布，还有取向分布。柱状 颗粒有较大影响半径。,不同St数下固粒运动结果,St=0.01,St=1.0,柱状固粒的沉降,(2)纳米固粒多相流,普遍：大气污染、呼吸道疾 病、药品、制冷、减阻传热、 食品饮料、催化、新能源、 制备纳米结构材料和器件。 难点：Van der Waals力、静 电力、布朗运动、固粒的产 生、凝结、聚并。,Surface growth,coagulation,coalescence,coalescence,breakage,主要物理化学过程,主要研究手段, 分子动力学模型(MD) 颗粒直径小于1 纳米 颗粒动力学模型 直径大于1 纳米,小于10微米 拉格朗日或双流体模型 直径大于10微米,颗粒浓度变化,颜色代表浓度，红色最高,谢 谢 各位,
