流体力学的发展趋势

流

体

力

学

的

发

展

趋

势

21162P21

吕鹏

2012.3

定义

流体力学，是研究流体(液体和气体) 的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。

重要性

上上个世纪在运河河道中发现的孤立波在60年代得到了彻底

的解决，既推动了力学和数学的发展，也迅速导致在其它学科如光学、声学中发现类似的现象。现在孤立波(光学中称孤立子) 已成了光通信的基石。上世纪60年代，为探索为何基于流体力学方程的数值天气预报只能准确到很少几天，通过简化这组方程之后，得到了现在已十分著名的L o r e n z 方程。数值计算表明，它的解对初值十分敏感，以致一定时间之后，其值变得几乎完全不可预测的了。这一发现开辟了混沌研究新领域，奠定了非线性科学的基础。这一事实还说明，流体力学方程(N S 方程) 的内涵十分深邃，对它的了解还远不是充分的。水波中各种波的非线性作用的研究，也丰富了非线性科学的内容。凡此种种，显示出了本世纪流体力学在科学发展中的作用。流体力学在工程技术中的作用，更是有目共睹的。飞机的飞行速度得以超过声速，是空气动力学发展的结果。人类登月的成功，大型

火箭和航天飞机的实现，需要解决成千上万个前所未有的难题，而力学问题往往首当其冲。为此形成了高超声速气动力学，物理化学流体力学，稀薄气体力学等一系列新的分支学科，并极大地推动了计算科学的发展。为解决喷气机的噪声问题，提出了流体噪声理论，它完全不同于经典的声学理论。各种高速、高机动性和高敏捷性的军用飞机和安全、舒适的大型民航机的研制成功，同样需要流体力学提供的新思想和新成果。70年代兴起的海上采油工业，若没有流体力学的研究成果为依据，设计、建造单台价值超过10亿美元的海上采油平台是不可能的。巨型船舶、高性能潜艇及各种新型船舶的研制中，流体力学问题仍是首先要加以解决的。其它如地下油气开采也得益于流体力学的指导。大型水利枢纽的设计和建造，离开了水力学是不可能的。各种大型建筑物，如火电站的冷却塔和大跨度桥梁等遭风载破坏的教训，引起了力学和工程界的密切关注，形成了风工程这门新的学科。大型汽轮机、燃气轮机及涡喷发动机等现代动力机械的研制，提出了许多新的流体力学问题，形成了独特的翼栅及内流理论，其中还伴有高温、化学反应、多相等复杂因素，总而言之，没有流体力学的发展，本世纪的许多工程技术，特别是高新技术的发展是不可能的。流体力学在取得巨大进展的同时，也留下了一些仍待解决的问题。不尽快地将它们解决，必然对科学及工程技术的进一步发展带来困难。同时，技术的发展是无止境的。仅就交通运输为例，无论是空中、水上水下，还是陆地上的交通工具都在朝着更大、更快、更安全、更舒适的方向发展，新问题将层出不穷。第一个大问题是湍流。本世纪初，

空天飞机和新一代的超声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的进展。在有关的高温空气动力学中必须放弃原先的热力学平衡的假定。吸气式发动机中H 2O 2在超声速流动状态下的混合、点火等，都是过去的理论和实践未能解决的难题。超声速流边界层的控制、减阻以及降噪控制等也带来一系列新问题。船舶除了向更大、更快的方向发展外，还提出了许多新型船舶，包括贴近水面航行、必要时可升空飞行或降在水面上的大型冲翼艇。这时计算各种航态和海况下的波载荷，将遇到极大的困难。由于波载计算不准而导致在恶劣海况下失事，即使对现代的常规船舶也仍是屡见不鲜的。80年代末至今已有10余艘船在北海失事。从流体力学的角度看，冲翼艇的困难主要在于有事先未定的自由表面，表面边界条件的非线性，波浪的随机性，水表层为湍流，以及流体与船舶运动相耦合等。风浪相互作用机制，至今尚未弄清，而它是天气预报这类全球性问题的重要环节，也是近年来正在探索的通过遥测水面波参数以测量近水面风速这一新技术的基础，这个问题的突破将大大改进收集全球气象数据的广度和精度。海面波浪参数的遥测数据还有可能用以探测潜航的潜艇及海流，但这要开辟传统波浪理论未涉及的有旋流对波浪的影响这一新的领域。为了尽可能多地开采地下油气，需要深入研究渗流机理并将其定量化。渗流的研究还有助于了解植物体内液体的运动规律，进而了解各种新陈代谢的宏观机制。化工流程的设计，在相当大的程度上可归结为流体运动的计算问题，包括多相流及非牛顿流。由于流动的复杂性，不少重要化工装置的设计带有很多经验因素，以致不能发挥最

大效益。因而针对若干典型化工装置进行深入研究，将为化工设计提供新方法，实现可观的经济效益。在未来生物技术产业化的过程中，会遇到类似或更复杂的情况，因而这方面的研究是真正形成生物技术工业不可缺少的基础。

发展趋势

一方面以湍流机制为核心的若干基本问题将继续受到重视; 另一方面为促进国家建设和社会进步，主要力量将会集中于研究与解决具有明确应用目标的应用基础课题。今后10至20年，流体力学大体会沿以下几个方向发展:

（1）湍流

流体力学中最普遍的现象是湍流，而湍流机制则是最基本的问题，曾吸引众多的力学家、物理学家和数学家从事研究，如: 普朗特，柯莫戈罗夫K o l m o g o r o v ），兰道（L a n d a u ）等。经过多代人的研究，经历了唯象理论、统计理论、模式理论直至今天的直接数值模拟等阶段，对这一问题的认识已大为深化。

近年来运用运动稳定性理论已经能够解释自由剪切流中相干结构的成因。边界层内相干结构的产生和演化机制则要复杂得多，尚需作深入的研究。

由于计算机和计算方法的发展，近20年来湍流的直接数值模拟取得了惊人的进展。因为它不包含人为假设和经验常数而能描述各种尺度涡结构的演化，在槽道流中显示了从层流到充分发展湍流的完整的转捩过程，可以认为直接数值模拟将是今后湍流研究的基本工具

之一，能对湍流结构的成因及演化过程不断提供新的看法。

（2）流动稳定性

流动稳定性研究流动从一种状态到另一种状态的转变机理，如R a y l e i g h -T a y l o r 不稳定、H e l m h o l t z 不稳定、G o t l e r 不稳定等，特别是一些与工程技术有关的典型剪切流动（包括边界层、槽流、管流、射流、尾流）从层流到湍流的转捩则是最重要的研究稳定性的领域。上述稳定性问题的线性理论业已成熟。但是这些理论往往要用平行流假设，这对于边界层流、自由剪切流情况并不合适，致使临界雷诺数与实际不符，所以要考虑非平行性对扰动演化的影响; 人们不仅要研究扰动的自发演化过程，而且要考虑外界扰动如声激发对流动中扰动发展的影响，这就是

r e c e p t i v i t y 问题; 近年来在分析时间模式或空间模式时，发现二者与实际情况均有差异，从而提出了绝对不稳定与迁移不稳定的概念。

流动稳定性的研究成果不断得到开发和应用，

如:S a f f m a n 界面不稳定应用于二次采油，

B e n j a m i n -F e i r 不稳定应用于风浪生成与发展，

M a r a n g o n i 对流不稳定应用于晶体生长等。

（3）混沌

流体力学中混沌现象的发现被认为是本世纪自然科学发展中重大事件之一。确定性的流动因为随初值敏感而可以出现极其复杂和混乱的现象，这不仅从根本上改变了人们对牛顿力学的看法，即经典力

学的内涵远远没有被充分认识，而且也深深影响了人们的自然观。由此可见，今后的混沌研究对流体力学的学科发展以及实际应用将会产生难以预料的作用。

（4）水波动力学

水波动力学是流体力学中古老而经典的分支，近30年来再度成为十分活跃的领域。60年代在研究固体热传导时发现了孤立子现象，即两个孤波在非线性相互作用后保持波形不变的特性。接着重新导出了水波的K d V 方程并发现了孤立子。此后，为求解非线性波方程提出了有一定普遍意义的反演散射法，L a x 为此给出了能够应用此法求解的条件。

目前，对水波动力学的非线性现象的研究已经相当广泛，例如:强迫孤立子，先导孤立子，分层流、旋转流和变截面流中的孤立子，波的失稳而导致分岔，振动激励容器中波的共振引起的分岔和混沌等。

由于国际上开发海洋和减轻自然灾害的需要，普遍加强了非线性波的研究和应用。60年代，O . M . P h i l l i p s 从湍流的级串现象得到启示，提出了波-波相互作用的原理，并应用于海洋上波浪谱的演化，对于由风输入的能量以及因底部磨擦与波浪破碎引起的耗散过程的认识也在深化; 在此基础上，发展了第三代风浪预报模式（W A M ），可成功地预报全球与区域的海况。为适应海洋离岸工程结构设计的需要，有关波流相互作用、波与结构的相互作用与波与海底的相互作用等的研究对海洋平台的振荡、波浪在浅水区的衰

减、海底基础稳定性等的认识和预报有着重大的意义。

（5）涡动力学

“流体经不住搓，一搓就搓出了涡”，这句话简明而生动地概括了流体及其运动的本身。边界层和击波层内速度剧变，因而是旋涡的集中区; 流体绕过物体形成了起动涡、分离涡和脱落涡等; 层流向湍流的转捩是旋涡运动的失稳; 湍流运动实际上是各种大小涡结构的相互作用和转化。所以旋涡是流动中最普遍的基本运动成分，涡量是描述流动的一个基本量。60年代以来涡动力学成为流体动力学中的一个活跃的研究领域。

经典的理想流体力学中的涡量守恒定理保证，只要跟踪每个质团，随时计算其他质团的旋涡对这一质团的诱导速度，便能求出全部流场随时间的变化。这就是最早的涡动力学方法。

近20年来涡动力学的数值模拟有了较快的发展，值得重视的是离散涡法和积分方程法。用离散涡法能模拟理想流体运动，但还不能满意地模拟粘性效应。积分方程法采用有限元或边界元对积分形式的流体力学方法离散求解，精度较高，很有发展前途。

涡动力学的主要发展趋势有: 理论体系的完善，涡的稳定性与混沌，分离流，湍流中的涡结构，波涡相互作用，涡声，涡的破裂和重联等。

（6）复杂流场计算

这里所指的复杂流场是指:具有多种流动状态或结构的流场、多种物理效应并存的流场等，例如波和涡相互作用的流场、激波和附面

层相互干扰的流场、湍流脉动噪声等。

由于工程要求越来越高，特别是超声速大型客机、现代航天器和航天飞机的发展要求，需要精确的全机计算。近十年来出现了不少有名的关于全机（包括航天飞机）绕流、有化学反应气流绕全机的计算工作。这些工作都利用了超级计算机，为复杂流场的计算指出了方向。

计算复杂流场一方面需要发展具有高分辨力的计算方法和具有高分辨力的流动显示及量测技术; 另一方面还要求对单一的非线线的基本流动规律有更深入的认识。否则对计算结果的分析和总结仍会束手无策，甚至难辨真伪。所以，这也是发展的趋势。

（7）多相流

在工程技术中存在大量的多相流问题，如风沙、水流中的泥沙、

气水中污染物的迁移、煤粉输运、反应器中的多相流、飞行器穿过云层时水晶和水滴的运动等，这些多相流往往不是各相均匀分布的，而出现稀密分区的现象。

近年来已经出现一些从流动稳定性的分析来得到无量纲的稳定性条件的较好的工作。更多的工作还是结合现场实测到的经验规律，设计和进行合适的室内模型试验，用量纲分析方法整理出半经验的公式。在计算方法方面，出现了多种粒子元技术，如蒙特卡罗（M o n t e -C a r l o ）方法、玻尔兹曼格子气方法等，对于某些流动图案或机制可以做出定性的说明。随着计算机技术和并行算法的飞速发展，用这些方法进行定量计算的日子也不会太遥远了。

（8）非平衡流

非平衡流的研究主要有两个方面，即新一代航天器周围高温空气非平衡效应以及能源、化工等工艺流程中的燃烧、相变、化学反应等过程。它们的共同特点是流体力学与化学反应速率过程的耦合，前者

的介质是空气，而后者的介质则多种多样，往往包含多相介质和相变。 80年代航天器的速度高达10k m /s ，空气动力加热引起的高温使空气的转动、振动能态得到激发，产生离解，进而激发电离和辐射。由于加热发生在高空的低密度区，松弛时间和流动特征时间相近，非平衡效应主要发生在稀薄气体和连续介质间的过渡区。在这一区内，计及化学反应和热辐射的分子运动论还很不完备，还不能达到求解非平衡流的水平。即使在连续介质框架内讨论，因为有内能激发和化学反应，必须考虑不同自由度的温度的分离。80年代提出了多温度模型的基本方程，但推导还不够严谨。与此同时，经25年发展起来的直接模拟蒙特卡罗法（D S M C ）已经可以处理有内能激发和化学反应的非平衡问题，这是非平衡流研究中的一个重大进步。此法适用范围极广，可用于过流区和高密度区，可处理电离、辐射及带电粒子的双极扩散等。采用D S M C 法需要反应速率的数据，但目前缺乏高温下的速率数据，需要今后实验的精确测定和进行物理力学方面的研究。

在燃烧和反应流动的研究中，同样缺乏有关相变、反应的速率方程及相应的数据。用分子动力学方法模拟此类问题有助于定性说明问题。在这一范围里，燃烧向爆震的转化机理的研究，流化床中流动结构和反应过程的研究均涉及流动、相变、化学反应的耦合以及非平衡

流体力学的发展趋势 21162P21 吕鹏

效应，都是值得发展的化学流体力学。

吕鹏

21162P21

2012.3

11