流體力學(xué)有哪些值得研究的領(lǐng)域？

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

湍流理論的發(fā)展,經(jīng)歷了唯象理論,統(tǒng)計(jì)理論,模式理論等階段。其中的模式理論,雖然帶有一部分經(jīng)驗(yàn)常數(shù),但卻是目前唯一可以在工程技術(shù)問(wèn)題中解決具體問(wèn)題的理論。今后仍應(yīng)不斷地研究改進(jìn)以解決更多的工程技術(shù)問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)理論主要適用于均勻各向同性湍流,更多的是著眼于理解湍流的物理機(jī)制。近年來(lái)由于從數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)了一些獨(dú)特的現(xiàn)象,在西方國(guó)家又吸引了一批力學(xué)家和理論物理學(xué)家,提出了一套新的理論模型,取得了新的重要進(jìn)展。

60年代末確認(rèn)的在剪切湍流中存在相干或擬序結(jié)構(gòu),為湍流研究開(kāi)辟了一個(gè)重要方向,從此湍流被公認(rèn)為具有確定性與隨機(jī)性,有序和無(wú)序并存的系統(tǒng)。近年來(lái),由于實(shí)驗(yàn)手段及數(shù)值模擬的進(jìn)展,對(duì)其現(xiàn)象已有較多的認(rèn)識(shí)。已經(jīng)提出了一些理論來(lái)解釋其生成的原因。相干結(jié)構(gòu)是一種有組織的大尺度結(jié)構(gòu),在湍流的輸運(yùn)中起著主導(dǎo)作用,對(duì)其控制或影響,可以改變湍流的某些性質(zhì),例如傳熱能力或摩阻。人們開(kāi)始改變了長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為物體愈光滑,在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力就愈小的概念。已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在物體表面上刻劃上適當(dāng)形狀的溝槽,反而可以降低阻力。這一技術(shù),已經(jīng)在大型遠(yuǎn)程客輪、賽艇,甚至于游泳衣上試用并證實(shí)是有效的。

相干結(jié)構(gòu)的研究,還可能在對(duì)我國(guó)有特殊意義的泥沙問(wèn)題的研究上提供新的思路。傳統(tǒng)的理論用河流底層的平均速度作為已沉降泥沙能否被沖起的判據(jù)。而實(shí)際更有意義的是河流底層的相干結(jié)構(gòu)在起動(dòng)泥沙中起主導(dǎo)作用。在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的底層泥沙成塊起動(dòng)而不是一大片同時(shí)起動(dòng),是這種觀點(diǎn)的一個(gè)有力印證。

流動(dòng)穩(wěn)定性理論是研究從層流變?yōu)橥牧鳈C(jī)理的理論。多年來(lái)也取得了很大的進(jìn)展。其線性理論的研究對(duì)應(yīng)用數(shù)學(xué)中的“漸近匹配法”也起了很大的推動(dòng)作用,其非線性理論的發(fā)展,則為現(xiàn)正蓬勃發(fā)展的非線性科學(xué)提供了重要的分析手段。它的發(fā)展,還有不少事先意想不到的副產(chǎn)品。例如自由剪切流中相干結(jié)構(gòu)的成因,已能用流動(dòng)穩(wěn)定性理論成功地加以解釋,從而為其控制提供了理論指導(dǎo)。在航空航天技術(shù)中的渦系的生成與控制,以及為使?jié)撏щ[身而降低或抑制其噪聲所牽涉到的渦系控制等,也都有可能由流動(dòng)穩(wěn)定性理論提供機(jī)理性的指導(dǎo)。即使是壁湍流中相干結(jié)構(gòu)的生成,也與流動(dòng)不穩(wěn)定性有關(guān)。因此,作為湍流研究的一個(gè)重要方面,流動(dòng)穩(wěn)定性的研究也應(yīng)放在一個(gè)重要方面。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展,湍流的數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究湍流運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要分支。通過(guò)數(shù)值計(jì)算,復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)有可能在計(jì)算機(jī)中模擬出來(lái),如前面提到的相干結(jié)構(gòu)等,數(shù)值模擬為研究湍流機(jī)理、湍流控制與湍流利用提供了有效手段,湍流數(shù)值模擬因而也成為目前國(guó)際上湍流研究的主流之一。湍流的數(shù)值模擬一般可劃分為直接數(shù)值模擬、大渦模擬及以二階矩模式為代表的模式理論,后者又可看作是特大渦模擬。直接數(shù)值模擬的研究成果已經(jīng)揭示了物體表面如槽道湍流的運(yùn)動(dòng)特性,并為建立合理的模式理論提供了依據(jù);直接數(shù)值模擬由于受計(jì)算機(jī)硬件的限制,應(yīng)用它來(lái)解決工業(yè)問(wèn)題尚有很長(zhǎng)的一段路要走。然而,湍流的模式理論,以及在不久的將來(lái)的大渦模擬,則可直接服務(wù)于工程流動(dòng)問(wèn)題。因此,發(fā)展湍流模式理論與大渦模擬方法在我國(guó)有著重要而實(shí)際的意義。

我國(guó)湍流研究在周培源教授開(kāi)創(chuàng)性工作的帶動(dòng)下,已形成了一批力量并取得了一批成果。幾個(gè)高等學(xué)校和力學(xué)研究所在湍流的基礎(chǔ)研究上已形成了各自的特色,也有一些高等學(xué)校和與工程有關(guān)的研究院所則在湍流的工程計(jì)算上投入了力量。由于湍流現(xiàn)象的普遍性,絕大部分運(yùn)動(dòng)的空氣和水流都是湍流,所以湍流研究的任何一個(gè)重要進(jìn)展,都會(huì)大大提高人類認(rèn)識(shí)自然的能力,也會(huì)對(duì)一大片工程技術(shù)問(wèn)題的進(jìn)展提供有力的手段。所以我國(guó)應(yīng)當(dāng)并且也有可能把現(xiàn)有的力量組織起來(lái),協(xié)同攻關(guān),以期在不遠(yuǎn)的將來(lái),使我國(guó)在湍流研究上進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

分離和旋渦運(yùn)動(dòng)是飛行器、船艦運(yùn)動(dòng)中最普遍的現(xiàn)象。特別是現(xiàn)在對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)提出了越來(lái)越高的機(jī)動(dòng)性及敏捷性的要求,這就使飛機(jī)經(jīng)常在大攻角和非定常的狀態(tài)下飛行,不可避免地會(huì)產(chǎn)生大范圍的分離及更復(fù)雜的渦系,極易造成飛機(jī)受力的不對(duì)稱及失去控制。目前對(duì)定常條件下渦系的生成機(jī)制及其穩(wěn)定性已有一定的認(rèn)識(shí),但在非定常情況下的認(rèn)識(shí)還很不夠。對(duì)一些已觀察到的現(xiàn)象還不能提供機(jī)理性的說(shuō)明。

大攻角下流場(chǎng)及渦系失去對(duì)稱性以及非定常飛行時(shí)氣動(dòng)力隨攻角變化滯后現(xiàn)象等等,都是湍流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,也都是典型的分岔和非線性現(xiàn)象。對(duì)其研究不能指望用一般的已有的非線性方法或理論來(lái)解決。但反過(guò)來(lái),這些問(wèn)題的研究,卻有可能對(duì)整個(gè)非線性科學(xué)提供新的內(nèi)容和手段。

對(duì)于流動(dòng)的分離,經(jīng)過(guò)多年的努力,包括我國(guó)科學(xué)家的工作,對(duì)在定常情況下分離的機(jī)制及控制,已有比較充分的了解。但在非定常情況,甚至連分離的判據(jù)還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的說(shuō)法。而流動(dòng)的分離,是很多非線性現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

同樣,在定常情況下,一些渦系的產(chǎn)生及其穩(wěn)定性,已有一些認(rèn)識(shí)。特別是前述流動(dòng)穩(wěn)定性理論的進(jìn)展,提供了很有用的工具。但在非定常情況下渦系的生成及其穩(wěn)定性,就認(rèn)識(shí)得很不深刻。在這方面,我們?cè)诔浞掷矛F(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的前提下,應(yīng)該借鑒前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)。前蘇聯(lián)的計(jì)算手段不如美國(guó),但他們卻已經(jīng)制造出了其機(jī)動(dòng)性和敏捷性令西方國(guó)家吃驚的飛機(jī)。其根源就是前蘇聯(lián)一貫重視流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究,對(duì)流動(dòng)的機(jī)理有深刻的理解。

空-空導(dǎo)彈的高機(jī)動(dòng)性要求,同樣會(huì)導(dǎo)致上面所述的各種現(xiàn)象。我們?nèi)绻恢匾曔@方面的基礎(chǔ)研究,必然導(dǎo)致我國(guó)在這方面的落后。在未來(lái)可能發(fā)生的戰(zhàn)爭(zhēng)中,就要吃大虧。

未來(lái)大型超音速民航機(jī)的發(fā)展,降低噪聲是能否使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。噪聲的最主要來(lái)源當(dāng)然是噴氣噪聲(順便提一下,50年代提出的流體動(dòng)力噪聲理論,與傳統(tǒng)的聲學(xué)有很大的不同。實(shí)際上開(kāi)辟了聲學(xué)研究的一大領(lǐng)域。這也可以說(shuō)是流體力學(xué)對(duì)物理一個(gè)重要分支——聲學(xué)的重要貢獻(xiàn))?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn),噴氣噪聲與尾噴管噴出的射流中產(chǎn)生的大尺度相干結(jié)構(gòu)有關(guān)。在超音速飛行,甚至在高亞音速飛行時(shí),尾噴管射流中可能產(chǎn)生由相干結(jié)構(gòu)演化導(dǎo)致的周期性的“小激波”,可能是重要的聲源。相干結(jié)構(gòu)實(shí)際是某種形式的渦,這里再一次提出了研究渦系形成機(jī)制并對(duì)其進(jìn)行控制的重要性。

目前我國(guó)在基金委的支持下,已經(jīng)連續(xù)兩次設(shè)立了重大項(xiàng)目,目標(biāo)越來(lái)越明確,并已取得了一批成果,應(yīng)該堅(jiān)持下去。

船舶制造已有長(zhǎng)遠(yuǎn)的歷史。似乎對(duì)一般船舶,從流體力學(xué)角度看,已經(jīng)不存在什么原則上的困難。但事實(shí)并非如此,船舶行進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的頭波阻力,至今也沒(méi)有準(zhǔn)確的算法。以至于還要進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的船池拖曳實(shí)驗(yàn)。其根源在于自由表面條件的非線性,船舶邊界層中湍流經(jīng)常處于非平衡狀態(tài)以及在局部地區(qū)形成了碎浪,使得理論處理十分困難。有理由提出,在現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的條件下,我們應(yīng)該下力氣克服這一困難,使船舶阻力的計(jì)算有一個(gè)可靠的方法,使船舶的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到更現(xiàn)代化的手段上來(lái)。

船在大浪中航行時(shí),會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的砰擊作用。即船艏先被大浪抬起,繼而向下而進(jìn)入下一個(gè)波峰之下,大量的水涌上或拍擊到甲板上。這會(huì)造成船的前部相繼受到巨大的正、負(fù)彎矩而導(dǎo)致破壞。自1987年以來(lái),已有十多艘在北海航行的巨輪受到破壞。對(duì)這種砰擊所產(chǎn)生的載荷,至今沒(méi)有一個(gè)計(jì)算辦法,靠加大安全系數(shù)的辦法是一個(gè)極不經(jīng)濟(jì)的辦法。若用提高鋼板強(qiáng)度要求的辦法來(lái)解決,則因一艘大船所用的鋼材要以萬(wàn)噸計(jì),顯然是很不經(jīng)濟(jì)的途徑,因此這一問(wèn)題值得認(rèn)真研究。整個(gè)問(wèn)題,必須包含正、反兩個(gè)方面。即由已知有旋流場(chǎng)或海流,推出波浪參數(shù)變化,同時(shí)要研究從已知的波譜變化,反推有旋流場(chǎng)及海流。并進(jìn)而推導(dǎo)產(chǎn)生包含有旋流場(chǎng)的潛艇航向、航速、深度及位置,這自然要包括潛艇航行時(shí)尾跡特性及其演化的研究。所以這是一個(gè)內(nèi)容豐富而復(fù)雜的問(wèn)題,在學(xué)術(shù)上和應(yīng)用前景上均有重要意義。

潛艇航行時(shí),會(huì)產(chǎn)生尾流,從而在艇后產(chǎn)生一有旋區(qū)。傳統(tǒng)的波浪理論都是在流體無(wú)旋的假定下進(jìn)行的。波浪從無(wú)旋區(qū)向有旋區(qū)傳播,其參數(shù)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。如能了解波浪參數(shù)的變化,則有可能由空中探測(cè)到的波譜反演出潛艇的航跡,從而為探測(cè)潛艇提供一個(gè)新的方法。

為防潛艇被探測(cè),還要盡量減少其噪聲。在低速航行時(shí),主要噪聲源是螺旋槳及艇體的振動(dòng)。這些振動(dòng)與螺旋漿后產(chǎn)生的各種渦系及螺旋槳與艇體凸出體產(chǎn)生尾流,包含其中可能有渦系相互作用有關(guān)。因而從機(jī)理上深入研究這些渦系產(chǎn)生的原因及其控制,是一個(gè)重要的方向。這方面盡管實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)很多,但從機(jī)理上研究的還不多。

當(dāng)前,沿海大國(guó)把注意力轉(zhuǎn)向新型高速大型“船舶”的發(fā)展。原蘇聯(lián)已建成名為“里海怪物”的新“船舶”,可載人400多,時(shí)速達(dá)350km/h。這種“船舶”從水中航行開(kāi)始,迅速升出水面,大部分時(shí)間貼近水面飛行,好處是: 既增加升力,又對(duì)雷達(dá)探測(cè)起到隱身作用。要研究的流體力學(xué)問(wèn)題有水面的增升效應(yīng)以及與波浪的相互作用。

波浪理論也有很長(zhǎng)的歷史,如前所述,其發(fā)展對(duì)非線性科學(xué)產(chǎn)生了重要的影響。特別是孤立波,波的共振,波的各種不穩(wěn)定性等是非線性科學(xué)的有機(jī)組成部分。

但是在波浪理論中,還有一大塊有待開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。這就是風(fēng)浪相互作用問(wèn)題。這是在大洋上每時(shí)每刻都在發(fā)生的現(xiàn)象。它有兩個(gè)重要方面。一方面,風(fēng)的作用產(chǎn)生了浪,浪的破碎在水表層(>10米量級(jí))產(chǎn)生了湍流混合層。另一方面,還伴隨著海氣間熱量及質(zhì)量的交換。這是整個(gè)地球環(huán)流的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是長(zhǎng)期天氣與氣候預(yù)報(bào)中必須了解的一環(huán)。這一問(wèn)題由于水波的非線性以及包含有碎浪、白帽、表層湍流、風(fēng)的陣發(fā)性等復(fù)雜因素,目前還沒(méi)有很好的理論予以解釋。甚至于在僅含規(guī)則波而且不包含熱量交換的情況下,也還沒(méi)有一個(gè)令人滿意的理論。所以從研究大氣環(huán)流的需要看,只能靠一些現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)處理。影響現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的因素太多,不可能得到可靠的因果關(guān)系,至少對(duì)其機(jī)理應(yīng)該進(jìn)行更深入的研究,然后才有可能從實(shí)測(cè)資料得到更可靠的規(guī)律。過(guò)去的研究,缺少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究,特別是包含熱量、質(zhì)量交換時(shí)的研究。有理由相信,如果能在實(shí)驗(yàn)室中建造能包含熱量、質(zhì)量交換的風(fēng)浪槽,把理論研究和實(shí)驗(yàn)研究緊密結(jié)合起來(lái),能夠把這一困難問(wèn)題的解決,向前推進(jìn)一大步。

風(fēng)浪相互作用的研究還是最近國(guó)際上正在探索的通過(guò)遙測(cè)波譜來(lái)探測(cè)海面上20米范圍內(nèi)風(fēng)速的基礎(chǔ)。

在石油化工等許多重要的產(chǎn)業(yè)部門(mén)涉及到大量的多相流及非牛頓流問(wèn)題。比如:化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)極為重要的產(chǎn)業(yè),既提供多種產(chǎn)業(yè)所需的原材料,也提供很多中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品。而化工生產(chǎn)中牽涉到大量的多相流及非牛頓流問(wèn)題。

一個(gè)化工產(chǎn)品,從實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始到大規(guī)模生產(chǎn),其中要經(jīng)過(guò)小試、中試等階段。這主要不是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)不清楚,而是流動(dòng)狀態(tài)不清楚。據(jù)說(shuō)美國(guó)在某些情況下,已能免去小試、中試等過(guò)程,原因就在于他們對(duì)某些設(shè)備的流體力學(xué)問(wèn)題弄得比較清楚。

與化工有關(guān)的問(wèn)題多半是多相的、多組分的,并伴有相變及化學(xué)反應(yīng)的,流動(dòng)邊界也是極為復(fù)雜的。例如各種塔板上一般有很多凸起的帶帽的孔,液相在塔板上流,氣相則從下頂起蓋帽,穿過(guò)孔洞流上來(lái),在此過(guò)程中完成傳質(zhì)、傳熱或其它物理、化學(xué)過(guò)程,其復(fù)雜性可想而知。因此要想徹底弄清,得到一個(gè)普適的公式是不現(xiàn)實(shí)的。更現(xiàn)實(shí)的方法是針對(duì)一些典型的設(shè)備,進(jìn)行一些深入的、機(jī)理性的研究,并配合必要的實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn),這樣是有可能取得重要進(jìn)展的。

又如在攪拌器中力圖把物料混合均勻。近年來(lái),由于流體力學(xué)基礎(chǔ)研究取得的進(jìn)展,已使人們認(rèn)識(shí)到混合實(shí)驗(yàn)上有三個(gè)層次。首先是大尺度運(yùn)動(dòng)使物料達(dá)到大范圍均勻化,同時(shí)小尺度結(jié)構(gòu)使物料間的接觸面迅速增加,而由分子擴(kuò)散完成最終的混合或使不同組分物質(zhì)相互擴(kuò)散滲透而產(chǎn)生所需的化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)看法看起來(lái)似乎是顯而易見(jiàn)的,但對(duì)各層次進(jìn)行定量描述則必須對(duì)流動(dòng),包括湍流有深入了解。這方面還有很多工作要做。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的分形和混沌理論,實(shí)際上已和這類問(wèn)題結(jié)合起來(lái)了。

這里特別應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是: 近年來(lái),以電流變液為代表的新一代智能材料引起了人們極大的興趣,這是一個(gè)非牛頓流體中有廣泛應(yīng)用前景的新的家族。作為一種固液兩相懸浮液,在外加電場(chǎng)作用下,電流變液的粘性會(huì)迅速增大,從牛頓流體變?yōu)榉桥ｎD流體。其響應(yīng)時(shí)間一般僅為毫秒量級(jí),并且是可逆的。電流變液所呈現(xiàn)的奇特的力學(xué)特性和流動(dòng)規(guī)律給流體力學(xué)的研究提出了一系列新的問(wèn)題,啟示我們通過(guò)流體力學(xué)和其它學(xué)科的不斷結(jié)合開(kāi)拓出新的概念和交叉學(xué)科。由于電流變液的廣闊應(yīng)用前景,作為一類新穎的粘性可控的非牛頓流體,今后應(yīng)大力加強(qiáng)對(duì)這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值計(jì)算作為一種研究手段,已越來(lái)越多地滲入到各種學(xué)科中去。反過(guò)來(lái),各種問(wèn)題的需要,又促進(jìn)了計(jì)算方法的研究和發(fā)展。在這方面,力學(xué)起著十分突出的作用。以結(jié)構(gòu)力學(xué)為起點(diǎn)而興起的有限元方法,在固體力學(xué)中起著重要的作用,并早已推廣到很多其他學(xué)科中去了,由于流體力學(xué)計(jì)算的需要,有限差分法的發(fā)展則起了決定性作用。為了計(jì)算包含復(fù)雜激波系的復(fù)雜流場(chǎng),已經(jīng)發(fā)展了各種高精度、高分辨率、無(wú)振蕩的格式及其理論,并已在實(shí)際中得到應(yīng)用。這方面仍需進(jìn)一步的發(fā)展。在將現(xiàn)有基本方法用于真實(shí)復(fù)雜物體繞流計(jì)算方面,在網(wǎng)格生成和計(jì)算方法上仍有待突破,這是計(jì)算流體力學(xué)能否解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的關(guān)鍵。湍流數(shù)值模擬的需要,對(duì)計(jì)算機(jī)的速度和內(nèi)存,提出了更高的要求?？磥?lái)單純從提高機(jī)器速度及內(nèi)存已無(wú)法滿足要求,因此已有人嘗試其他的途徑。例如玻爾茲曼格子氣的方法,在細(xì)觀的層次考慮物理機(jī)制,將流體力學(xué)問(wèn)題離散化使每一步的計(jì)算大大簡(jiǎn)化?？傊?湍流數(shù)值模擬方法的研究將仍是十分活躍的研究領(lǐng)域。

有可動(dòng)邊界,如水波等的自由表面問(wèn)題,邊界條件引起的非線性影響不能忽略,其計(jì)算方法至今仍是一個(gè)難題,有待繼續(xù)研究。

隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展,已提出大規(guī)模并行運(yùn)算的設(shè)想。當(dāng)前應(yīng)注意針對(duì)某幾類典型問(wèn)題,研究和設(shè)計(jì)快速有效的并行算法及與之配套的專用的并行計(jì)算機(jī)。可以設(shè)想,將來(lái)有一天,也許可以為計(jì)算網(wǎng)格(不管用什么方法離散化)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)微處理器,這種計(jì)算實(shí)際上幾乎是實(shí)時(shí)進(jìn)行的,與真實(shí)流動(dòng)一樣。

我們相信,將流體力學(xué)計(jì)算的需要,和計(jì)算技術(shù)的硬件及軟件技術(shù)發(fā)展結(jié)合起來(lái),有可能在科學(xué)計(jì)算上取得重大的突破。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、圖像技術(shù)等方面的不斷進(jìn)步,大大推動(dòng)了流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)的空間分辨率已達(dá)毫米量級(jí),精度可達(dá)0.2%。目前該方法仍在研究中,已經(jīng)注意三維PIV技術(shù)的研究。實(shí)時(shí)PIV(DPIV)技術(shù)也是一個(gè)很有吸引力的研究方向。粒子跡線測(cè)速(PTV)技術(shù)在二維測(cè)量中已成熟,其三維技術(shù)也是國(guó)際上的熱門(mén)課題。PIV和PTV作為全流場(chǎng)測(cè)試技術(shù),對(duì)認(rèn)識(shí)流場(chǎng)時(shí)空結(jié)構(gòu)像湍流、非定常流等復(fù)雜流動(dòng)提供了有效的測(cè)量手段,值得加強(qiáng)這些方面的研究。在測(cè)速方面,激光測(cè)速技術(shù)是另一有前景的發(fā)展方向。在壓力測(cè)量方面,發(fā)展高精度、高靈敏度、動(dòng)態(tài)性能好、尺寸小及各種壓力量程的壓力傳感器仍然是研究的重點(diǎn)。在密度測(cè)量和溫度測(cè)量方面也有進(jìn)展。對(duì)復(fù)雜流動(dòng)空間密度場(chǎng)的定量測(cè)量仍然是一個(gè)十分困難的問(wèn)題,應(yīng)加強(qiáng)研究。如何將近10年來(lái)發(fā)展起來(lái)的熱圖技術(shù)(thermography)更好地用于溫度場(chǎng)測(cè)量也是一個(gè)重要的研究方向。

流體力學(xué)問(wèn)題的研究越來(lái)越深,對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的要求也越來(lái)越高,尤其在三維復(fù)雜流動(dòng)及實(shí)時(shí)測(cè)量方面,我們期待取得新的進(jìn)展。

滲流指多孔介質(zhì)內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng),滲流的研究從地下水的流動(dòng)開(kāi)始。經(jīng)典的達(dá)西(Darcy)公式在水利界早就得到廣泛應(yīng)用,至今地下水的滲流仍是水利工程建設(shè)、地下水的利用、城市地面沉降、沿海地區(qū)的海水入浸等一大批與國(guó)計(jì)民生有重大關(guān)系的問(wèn)題所必須研究和解決的課題。

但近代滲流力學(xué)的發(fā)展,更多地是與能源工業(yè),特別是石油工業(yè)聯(lián)系在一起的。簡(jiǎn)單地開(kāi)采只能把地下儲(chǔ)油的一小部分開(kāi)采出來(lái),要想提高采油率,不得不對(duì)石油的滲流以及在注水或其他表面活性劑后的多相流的機(jī)理的細(xì)觀水平上進(jìn)行深入的研究。這就使?jié)B流的研究水平大大提高了一步。

我國(guó)科學(xué)家通過(guò)由他們創(chuàng)造的滲流觀測(cè)模型,觀測(cè)到了存在幾種不同的水驅(qū)油機(jī)制,以及添加不同表面活性劑所起的不同的作用。近代非線性科學(xué)中分形和混沌理論的引入,更使這方面的研究有了新的思路。目前這方面的研究,大體上還處于定性描述的階段,但已對(duì)我國(guó)石油開(kāi)采做出了重要的貢獻(xiàn)。如能進(jìn)一步開(kāi)展工作,對(duì)其規(guī)律有進(jìn)一步的了解,對(duì)我國(guó)這樣石油資源相對(duì)并不富裕的國(guó)家將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

煤層氣的開(kāi)采,是另一種潛在能源,在美國(guó)已初步形成產(chǎn)業(yè)。我國(guó)煤藏十分豐富,在這方面的前景十分可觀。但煤層氣田和常規(guī)天然氣田有許多不同之處,一系列問(wèn)題急需解決,滲流物理機(jī)制和其力學(xué)規(guī)律首當(dāng)其沖。例如,絕大部分氣都緊緊吸附在煤層孔隙及微縫的內(nèi)表面,而不是簡(jiǎn)單地充滿孔隙,很多基礎(chǔ)問(wèn)題需要研究。

滲流力學(xué)不但和上述各種工程和工業(yè)有關(guān),而且也是了解很多生物體內(nèi)體液流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)。例如高大樹(shù)木從根系吸收水分后如何輸運(yùn)到離地幾十米的枝葉,至今仍是個(gè)謎。動(dòng)物體內(nèi)的體液除了一部分明顯地在管道中,如血管中流動(dòng)外,大部分是以滲流形式在運(yùn)動(dòng),其流動(dòng)規(guī)律已經(jīng)肯定不服從傳統(tǒng)的達(dá)西定律。對(duì)其研究將對(duì)生命科學(xué)和生物技術(shù)提供重要的理論基礎(chǔ)。

還有一些對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要意義的產(chǎn)業(yè)都有其各自的滲流問(wèn)題。如青海鹽湖鹵的滲流伴有結(jié)晶過(guò)程,地下熱能的開(kāi)發(fā)中的滲流伴有相變等等。在地學(xué)中,礦液在地下巖石中的輸運(yùn)、集中是成礦過(guò)程的一個(gè)重要部分,核廢料儲(chǔ)存中有關(guān)的滲流問(wèn)題,都牽涉到液體滲流和巖石斷裂的相互作用,具有重要的理論意義。所以,滲流力學(xué)有著重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。

這是近年發(fā)展航天飛行器提出的新的重要流動(dòng)問(wèn)題。有兩個(gè)應(yīng)用方面,一是研究飛行器高超聲速飛行時(shí),外部高溫氣流產(chǎn)生的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱和等離子體環(huán)境的計(jì)算。這些都是氣動(dòng)設(shè)計(jì)和通訊設(shè)計(jì)所需的。二是研究吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)H2、O2氣體的流動(dòng),包括點(diǎn)火、燃燒、吸氣和排氣,這是設(shè)計(jì)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)所需的。

在60年代,對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的高溫氣流已作了許多研究。但當(dāng)時(shí)僅考慮了化學(xué)反應(yīng)非平衡效應(yīng),而熱力學(xué)上則假定是平衡的。這對(duì)再入導(dǎo)彈這類飛行器,其真實(shí)氣體效應(yīng)不太顯著的情況是可以的。當(dāng)今發(fā)展具有升力的航天飛機(jī),真實(shí)氣體效應(yīng)相當(dāng)重要。此時(shí)熱平衡的假定常常帶來(lái)顯著偏差,必須考慮熱和化學(xué)均為非平衡的流動(dòng)。與此對(duì)應(yīng),何種化學(xué)反應(yīng)模式最為合適,也提出了與60年代不同的見(jiàn)解。這就是當(dāng)今高溫空氣動(dòng)力學(xué)正在探索的熱、化學(xué)非平衡流的模式問(wèn)題。目前已提出了兩方程、三方程及多方程模式,何者合宜,與之相應(yīng)還有各種溫度的計(jì)算問(wèn)題,都需要研究。在H2、O2燃燒流動(dòng)中,由于過(guò)去研究不多,模式問(wèn)題更為突出,同時(shí),超聲速流中H2、O2氣體的混合問(wèn)題、點(diǎn)火問(wèn)題都急待解決,需要從流體力學(xué)出發(fā)研究H2、O2最佳混合方式及點(diǎn)火方式。

同時(shí),描述熱、化學(xué)非平衡流動(dòng)的方程組是很復(fù)雜的,如何快速、有效地求解則是另一個(gè)重要問(wèn)題。困難還在于方程組的剛性及多個(gè)方程必須耦合計(jì)算。

第三個(gè)方面是要研究非平衡流動(dòng)的局部模擬。在現(xiàn)有條件下,全模擬是做不到的。但如能提出某些局部模擬規(guī)則,對(duì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究是重要的。

開(kāi)展熱、化學(xué)非平衡流的研究,需要反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)常數(shù)和熱物理參數(shù),還需研究表面催化效應(yīng),這些都要物理力學(xué)的幫助。

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