流体力学在工程中的应用及方法初步认识

理论探讨·234·流体力学在工程中的应用及方法初步认识周沛然1周森2连惠瑶2（1.河海大学，江苏，南京，210098）（2.黄河勘测规划设计有限公司，河南，郑州，450003）【摘要】《流体力学》是研究液体在平衡和运动状态下的规律，并利用这些规律解决工程实际问题的一门学科。流体力学包括静力学和动力学。流体力学任务首先是研究液体在平衡和运动状态下的规律，这就是流体力学的基本原理部分，其次就是研究如何应用基本规律来解决各种具体问题的方法，这就是流体力学的应用部分。【关键词】流体力学发展；流体力学的应用；流体力学方法1、流体力学发展“流体”：表示研究对象；“力”：力学的一个分支；“学”：一门学科。《流体力学》是研究液体在平衡和运动状态下的规律，并利用这些规律解决工程实际问题的一门学科。流体力学包括静力学和动力学。就拿流体中的水来说，水力学作为学科而诞生始于水静力学。公元前400余年，中国墨翟在《墨经》中,已有了浮力与排液体积之间关系的设想。公元前250年,阿基米德在《论浮体》中，阐明了浮体和潜体的有效重力计算方法。1586年德国数学家S.斯蒂文提出水静力学方程。17世纪中叶，法国B.帕斯卡提出液压等值传递的帕斯卡原理。至此水静力学已初具雏形。水动力学的发展是与水利工程兴建相联系的。公元前3世纪末,中国秦代修建规模宏大的都江堰、灵渠和郑国渠。汉初已经有利用山溪水流作动力的事例。此后在历代防洪及航运工程上积累了丰富的经验。2、流体力学的问题和应用为了明确流体力学在工程中的应用，先以水利工程中的溢流坝为例来介绍工程中常见的水力学问题。为了利用水力资源，常在河道中筑坝以抬高上游水位，形成水库，利用水库即可达到防洪、灌溉、发电、航运等目的。当水库蓄水时，溢流坝坝顶闸门关闭。为了计算闸门的强度、设计坝体断面和校核坝的稳定性，必须计算上、下游的水对闸门和坝体的作用力，坝前有泥沙淤积还要考虑泥沙压力。洪水时，溢流坝闸门开启泄洪，首先必须根据泄洪流量来确定所需的溢流坝过水能力计算问题。为了满足相应水位泄洪量要对应一定泄流宽度，过水能力计算要满足泄洪流量要求。如果过流量计算过大，例如规模要求100m3/s,你设计计算出200m3/s说明建筑物规模设计大了，浪费。你设计计算出50m3/s说明建筑物规模设计小了，不能满足泄洪要求。会造成憋坝。所以说，过水能力计算非常重要。当溢流坝坝泄洪时，由于上下游水位差一般较大，水库的水经由溢流坝坝面泄至下游时，往往具有较大的流速和动能，可能冲刷下游河床及岸坡，甚至危及坝身的安全，因此必须采取措施，消耗下泄水流的多余动能，以减轻其冲刷作用，这就是坝下游的消能问题。河道中筑坝后，坝上游的水位沿河道相应抬高，可能淹没河道两岸的部分农田、乡村及城镇，并使两岸地下水位升高，影响作物生长，为了正确估计筑坝后水库的淹没范围，必须计算坝上游水位沿河道的变化，这就是河道水面曲线计算问题。因水库水位高于坝的下游，水库中的水将通过坝基土壤或岩石中的缝隙向下游渗漏，这种流动称为渗流；校核坝体稳定性，必须计算渗流对坝底的作用力，同时还应考虑渗流可能对坝基产生的破坏作用。以上简单地介绍了溢流坝工程中常见的流体力学问题，实际上许多水利工程及其它工程中常见流体力学问题归纳为以下五类：建筑物的受力问题、建筑物的过流能力问题、建筑物下游的消能问题、河渠水面曲线计算问题、建筑物的渗流问题。另外还有其它一些水力学问题，如流速和作用力等随时间而变化的非恒定流问题；高速水流中掺气、气蚀、脉动、震动和冲击波等问题；以及海洋，湖泊，水库中的波浪运动问题等。流体力学任务首先是研究液体在平衡和运动状态下的规律，这就是流体力学的基本原理部分，其次就是研究如何应用基本规律来解决各种具体问题的方法，这就是流体力学的应用部分。3、流体力学应用的方法流体力学应用的方法有三种。一是理论分析法：理论分析法已达到较为成熟的程度；数值计算已在工程上广泛应用。数理分析水动力学首先是根据问题的客观条件和生产任务或理论要求，对所研究的液体建立力学模型，提出假设，使分析简化。最常用的力学模型有：①连续介质模型，将由分子组成、分子之间有空隙的非连续液体看作分子紧密相依没有空隙的连续介质；②不可压缩流体模型，将受压收缩、受热膨胀、有弹性的液体，看作无弹性密度不变的不可压缩流体；③无粘性流体模型，将流动时因粘性作用产生内摩擦力的液体，看作粘性不起作用无内摩擦力的流体；④理想液体模型，不可压缩无粘性的液体。力学模型确定后，以相适应的运动学和动力学基本方程式为工具，结合起始条件和边界条件，进行各种流动的质量平衡、动量平衡和能量平衡分析，求出所需要的各种变量。二是科学实验：它是研究流体特性重要手段。像模型实验，比较重要工程都要做模型试验，按一定比例模拟建筑物，过水后测出流量、测出流速等。模型实验可以辅助帮助我们验证计算；像水位量关系模型实验模拟出来要比计算的大10%--20%计算就是正确的，如果不是这样，计算者要检查自己计算，实验者也要检查自己实验看有什么问题。这就帮助我们少出问题，或不出问题。三是数值模拟法：数值模拟是计算机问世以来所采用的研究方法，也是数理分析的一种补充。当研究对象过于复杂、控制方程非线性、边界条件不规则，利用现有的数学力学方法难以得出解析解时，可以建立数值模型，编制程序，通过计算机运算得出数字结果或图线。和实验研究相比，数值模拟在边界条件和流体物理性质上有更大的灵活性和控制范围。对于必须进行实验研究的问题，先进行数值模拟，可以对实验规划和布置、测试仪器的选择提供有价值的参考。4、结语总之，水静力学研究液体静止或相对静止状态下的力学规律及其应用,研究作用在任意平面上的静水总压力，作用在曲面上的静水总压力；浮力、浮体的平衡与稳定以解决蓄水容器，输水管渠，挡水构筑物，沉浮于水中的构筑物，如水池、水箱、水管、闸门、堤坝、船舶等的静力荷载计算问题。水动力学研究液体运动状态下的力学规律及其应用，主要研究有压管中的恒定流、明渠恒定均匀流；明渠恒定渐变非均匀流；堰流、孔流、多孔介质渗流的流动规律，以及流速、流量、水深、压力、水工建筑物结构的计算，以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪除涝、河道整治及港口工程中的水力学问题。随着经济建设的发展，水力学学科衍生了一些新的分支，以处理特定条件下的水力学问题，如以解决河流泥沙运动所导致的河床演变问题的动床水力学，以解决风浪对防护构筑物的动力作用和对近岸底砂的冲淤作用等问题的波浪理论等。参考文献：[1]水力学.武汉水利电力学院水力学教研室编［M］，水利电力出版社.1979.8[2]荫春编等.《水力学》［R］，科学出板社编.1990