吳曉龍

摘 要：二十世紀(jì)以后，流體力學(xué)無論是從自身技術(shù)研究還是工程廣泛應(yīng)用方面均進(jìn)入一個(gè)前所未有的大發(fā)展時(shí)期。首先，闡述流體力學(xué)及支撐其的基本定律，把握其理論范疇和特點(diǎn)；其次，研究借助流體力學(xué)所應(yīng)用的領(lǐng)域，總結(jié)其工程經(jīng)驗(yàn)；最后，結(jié)合當(dāng)下運(yùn)用流體力學(xué)的情況，簡要分析未來流體力學(xué)技術(shù)層面上的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；技術(shù)特點(diǎn)；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：O35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0216-02

1 前言

隨著技術(shù)水平日益提高和生產(chǎn)工具不斷革新，相關(guān)的現(xiàn)代流體力學(xué)研究工作被極大地推動(dòng)，流體力學(xué)的理論體系也充分得到了驗(yàn)證和完善。同時(shí)，現(xiàn)代流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于與人民生活息息相關(guān)的各行各業(yè)，為人類社會(huì)的向前發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐[1]。

下面，重點(diǎn)從三個(gè)維度解讀和研究：了解什么是流體力學(xué)及其典型支撐理論，掌握流體力學(xué)應(yīng)用于哪些領(lǐng)域，推斷流體力學(xué)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

2 流體力學(xué)及其典型理論

2.1 流體力學(xué)定義

流體力學(xué)，是用以研究無固定形狀且具備易于流動(dòng)屬性物體（簡稱：流體）的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其相關(guān)應(yīng)用的學(xué)科[2]。在流體力學(xué)中，受到各種力影響下的主要研究和分析內(nèi)容包含流體本身形態(tài)，流體與固體壁面，流體和流體間，流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)等。

作為力學(xué)中一個(gè)重要分支的流體力學(xué)，主要研究其靜止和運(yùn)動(dòng)兩種典型狀態(tài)、流體和固體界壁間相互作用時(shí)的流動(dòng)規(guī)律。

研究流體力學(xué)的依托的基礎(chǔ)主要是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律，另外還會(huì)借助到熱力學(xué)、宏觀電動(dòng)力學(xué)、高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)理論。

2.2 流體的基本屬性解析

為了更好地理解流體，下面對(duì)流體的基本屬性進(jìn)行解讀，具體表1所示。

2.3 流體依循的理論定律

為了研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通常從質(zhì)量守恒定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律（動(dòng)量定理）和能量守恒定律（熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律）等方面入手。

2.3.1 質(zhì)量守恒定律

眾所周知，物體的質(zhì)量可以以不同形式存在，但不管經(jīng)歷什么形式的運(yùn)動(dòng)，物體的質(zhì)量總是不變的。將以上的質(zhì)量守恒定律應(yīng)用在流體力學(xué)當(dāng)中，如果單位時(shí)間內(nèi)流體的質(zhì)量增加，那么流體的質(zhì)量增量等同于以上時(shí)間間隔內(nèi)并入該流體的凈質(zhì)量[3]。假設(shè)流體體積為V，那么流體的質(zhì)量守恒定律數(shù)學(xué)公式如下。

（1）

2.3.2 動(dòng)量定理

借助動(dòng)量定理，在慣性參考性中，流體的動(dòng)量時(shí)間變化率等于作用在物體上的外力的總和[4]。假設(shè)流體的速度為v，那么流體的動(dòng)量計(jì)算方式如下。

（2）

在公式（2）中，F(xiàn)為作用在單位質(zhì)量上的體積力，T[N]是法向?yàn)镹的單位面積上的接觸面力，S為體積V的表面。

2.3.3 熱力學(xué)第一定律

簡而言之，能量是物質(zhì)做功大小的度量。通常情況下，流體的能量涵蓋了動(dòng)能、內(nèi)能和重力勢(shì)能。依據(jù)熱力學(xué)第一定律[5]，流體自身能量計(jì)算方式如下。

（3）

在公式（3）中，E表示流體所攜帶的能量，表示單位時(shí)間內(nèi)的流體所承受的外力，J表示單位時(shí)間內(nèi)流體自身的熱量。

2.3.4 熱力學(xué)第二定律

受到外界熱傳導(dǎo)等現(xiàn)象后，流體本身將會(huì)作出相應(yīng)的反應(yīng)并發(fā)生變化。根據(jù)熱力學(xué)第二定律[6]，流體自身響應(yīng)計(jì)算方式如下。

（4）

在公式（4）中，S為熵，δJ為單位流體接收的總熱量，T為溫度。

3 流體力學(xué)的應(yīng)用

隨著國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)不斷更新和科學(xué)水平日益提高，現(xiàn)代流體力學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。目前，流體力學(xué)主要的應(yīng)用領(lǐng)域主要包含能源與環(huán)境、交通運(yùn)輸、工業(yè)設(shè)計(jì)、信息與控制、生物醫(yī)學(xué)等[7]。

3.1 能源與環(huán)境

能源泛指可再生能源和不可再生能源。在能源應(yīng)用方面，通常利用流體力學(xué)來指導(dǎo)和設(shè)計(jì)能源在其應(yīng)用全生命周期中的科學(xué)采能、儲(chǔ)能和用能環(huán)節(jié)。比如：石油、煤漿的傳輸管道設(shè)計(jì)需要考慮如何適用于不同流體形態(tài)的流轉(zhuǎn)問題；天然氣的高效燃燒進(jìn)而產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)能工作需要考慮射流技術(shù)，而射流技術(shù)又與流體本身屬性息息相關(guān)。

同時(shí)，隨著人類社會(huì)進(jìn)程的不斷向前推進(jìn)，能源的不合理開采和使用問題造成了環(huán)境的失衡和惡化的后果。全球性的環(huán)境整頓、治理和調(diào)優(yōu)過程可以歸結(jié)為環(huán)境保護(hù)的行為規(guī)范指南，而此行為屬性恰恰與流體行為相吻合。比如，我國當(dāng)下的霧霾消除問題是一個(gè)利用流體力學(xué)分析的環(huán)境修復(fù)系統(tǒng)性工程。

3.2 交通運(yùn)輸

涉及到交通運(yùn)輸領(lǐng)域，不得不提到中國的高鐵、日本的新干線，正是鐵路運(yùn)輸?shù)奶崴僮兏?，大大地影響了人類社?huì)的出行格局，同時(shí)為未來的出行選擇提出了可參考性的依據(jù)。以高鐵為例，輻射目前我國的整個(gè)交通運(yùn)輸領(lǐng)域，“交通流”的概念已得到不同交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用和推廣。結(jié)合交通流，依托流體力學(xué)，構(gòu)建其自身特點(diǎn)的運(yùn)輸模型。根據(jù)時(shí)空特點(diǎn)，將流體力學(xué)的科學(xué)屬性植入到的目前交通中，指導(dǎo)和預(yù)判交通走勢(shì)，為后續(xù)需求的運(yùn)輸提前做規(guī)劃。

3.3 工業(yè)設(shè)計(jì)

從能量守恒的角度上分析，當(dāng)下很多行業(yè)借助流體力學(xué)建立數(shù)學(xué)模型，打造功率消耗最小代價(jià)的產(chǎn)品。

為了將工業(yè)設(shè)計(jì)出來的固體產(chǎn)品具備流動(dòng)性，以減少空氣阻力和表面壓強(qiáng)，傳統(tǒng)的汽車行業(yè)在外觀設(shè)計(jì)基本上如出一轍地采用滿足流體力學(xué)屬性的設(shè)計(jì)理念，將汽車的外觀的流線設(shè)計(jì)賦予流體屬性。同時(shí)，在高科技密集程度更高的航天航空領(lǐng)域，著名的“無粘不可壓縮流體位勢(shì)流”理論已成功應(yīng)用于機(jī)翼設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。未來，工業(yè)設(shè)計(jì)和流體力學(xué)的高度融合，將會(huì)革命性地實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域中跨越式發(fā)展。

3.4 信息與控制

在信息與控制行業(yè)，重點(diǎn)圍繞微電子技術(shù)和測(cè)控技術(shù)開展的各項(xiàng)研究、生產(chǎn)和應(yīng)用。涉及微電子行業(yè)，不得不提及中國芯和集成電路。當(dāng)下，正值中美貿(mào)易戰(zhàn)，如何在信息領(lǐng)域勝出甚至未來在全球信息行業(yè)中占主導(dǎo)地位，不得不從基礎(chǔ)性技術(shù)中去提煉和挖掘新的突破點(diǎn)。不論芯片自主設(shè)計(jì)或是集成電路安全可控，都可以歸結(jié)為“電子流”的縝密設(shè)計(jì)。電力流的勢(shì)能效應(yīng)完全可以利用流體力學(xué)的熱力學(xué)定律進(jìn)行量化和優(yōu)化。

3.5 生物醫(yī)學(xué)

當(dāng)前，無論是臨床實(shí)驗(yàn)抑或藥理研究，依托血液為測(cè)試載體是主流方向。另外，血液還肩負(fù)著生物本體新陳代謝的職責(zé)。

眾所周知，血液本質(zhì)上屬于流體。借助對(duì)血液的分析與研究，完全可以套用日益成熟的流體力學(xué)。結(jié)合生物醫(yī)學(xué)和流體力學(xué)，目前已衍生出交叉學(xué)科——生物流體力學(xué)。生物流體力學(xué)主要研究動(dòng)物和人體內(nèi)循環(huán)、呼吸系統(tǒng)的生理流體（如血液、氣體、尿液、淋巴液和其他體液等）的流體力學(xué)問題；研究主要包括以下五大分支：生理流動(dòng)及流體力學(xué)（基本探究）、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)（宏觀理論基礎(chǔ)）、血液流變與心血管系統(tǒng)力學(xué)（生物學(xué)基本基礎(chǔ)）、生物流體動(dòng)力學(xué)、其他生理學(xué)與力學(xué)問題。

4 流體力學(xué)未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著目前流體力學(xué)基礎(chǔ)性學(xué)科不斷深化和借助流體力學(xué)擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域不斷增加，未來流體力學(xué)發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)大體分為兩大方向。方向一：面向流體力學(xué)的理論研究；方向二：面向應(yīng)用的流體力學(xué)支撐。

4.1 面向流體力學(xué)的理論研究

通常情況下，流體力學(xué)的理論研究主要難點(diǎn)在于模型的建立。檢驗(yàn)流體力學(xué)理論及推理優(yōu)劣的手段之一是借用數(shù)學(xué)模型衡量。通過構(gòu)建流體力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，模擬仿真場景，檢驗(yàn)算法的普適性、魯棒性，最終將優(yōu)勝劣汰的流體力學(xué)理論保留下來。

首先，明確建立流體力學(xué)理論體系庫。其一，建立算法庫，將優(yōu)先差分、有限元、有限分析、譜方法和辛算法（保哈密頓系統(tǒng)的差分法）；其二，建立方法庫，將穩(wěn)定性理論、數(shù)值耗散和色散分析、網(wǎng)格生成和自適應(yīng)技術(shù)、迭代和加速收斂方法建庫。

其次，明確流體力學(xué)理論研究對(duì)象庫?；诹黧w流動(dòng)對(duì)象分析和拓展，主要打造湍流對(duì)象庫、流體穩(wěn)定對(duì)象庫、混沌對(duì)象庫、非線性波動(dòng)對(duì)象庫、渦運(yùn)動(dòng)對(duì)象庫。

最后，利用中間件技術(shù)將流體力學(xué)算法模型進(jìn)行封裝。通過中間價(jià)技術(shù)將流體力學(xué)模型進(jìn)行拓展和互聯(lián)，以松耦合的方式將流體力學(xué)算法模型進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行管理。

4.2 面向應(yīng)用的流體力學(xué)支撐

面向應(yīng)用的流體力學(xué)在技術(shù)方面的支撐，形象地賦予流體本身“腦”和“軀干”的功能。

“腦”即將流體力學(xué)中注入自主可控的思想。借助人工智能算法，提高流體本身的計(jì)算能力，為下一步行動(dòng)提供有據(jù)可查的預(yù)判。

“軀干”即將流體力學(xué)中提供互聯(lián)互通的行為。借助區(qū)塊鏈綜合應(yīng)用方法，實(shí)現(xiàn)流體自身和外界交互，綜合衡量流體行走路徑。

5 結(jié)語

未來的流體力學(xué)研究注定是一個(gè)諸多學(xué)科交織的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用交疊熱點(diǎn)。除了傳統(tǒng)行業(yè)的流體力學(xué)應(yīng)用和發(fā)展，目前我國朝陽產(chǎn)業(yè)或占據(jù)國民經(jīng)濟(jì)主要地位的電子金融、房地產(chǎn)經(jīng)濟(jì)、物聯(lián)網(wǎng)、X+區(qū)塊鏈等都與流體力學(xué)技術(shù)息息相關(guān)。

為了更加精準(zhǔn)地掌握流體力學(xué)內(nèi)核和外延，仍應(yīng)持續(xù)關(guān)注流體力學(xué)自身技術(shù)發(fā)展的同時(shí)不斷拓展應(yīng)用場景。

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