流體力學研究的描述方法

① 多相流體力學的研究方法

主要有半經驗物理模型和統觀實驗法，數學模型及數值計演算法，局部場的實驗量測法等。 半經驗物理模型和統觀實驗法 半經驗物理模型指以實驗觀測為基礎對多相流的流動形態作出半經驗性的簡化假設以便進行簡化分析計算，如假定多相流為一維柱塞流 (plug flow)等。統觀實驗法指只研究外部參量變化規律，例如多相流在管道中的阻力或平均傳熱量與流速間的關系、平均的體積分數等，不研究多相流中各種變數的場分布規律。
數學模型和數值計演算法 對多相流基本方程組中各個湍流輸運項、相間相互作用項和源項的物理規律以實驗或公設為基礎提出一定的表達式，使聯立的方程組封閉，能夠求解，這就是建立數學模型。聯立的非線性偏微分方程組只能用數值法，如有限差分方法或有限元法求解。已經制定了二維和三維多相湍流流動計算程序軟體，可以初步用於計算旋風除塵器、煤粉燃燒室和氣化室、液霧燃燒室、反應堆中水-汽系統以及炮膛中氣-固或氣- 液各相中的壓力、速度、溫度、體積分數等的分布。目前，正在研製用於工程中最優化設計的軟體。
實驗量測法 研究多相流的流動、傳熱、傳質以及化學反應等規律時，觀測其流型，測量各相的速度、流量、尺寸、濃度、體積分數或含氣率、溫度分布等十分重要。觀測流型常常用高速攝影、全息照相和電測法等。測量顆粒尺寸分布可用印痕或溶液捕獲法、光學或激光散射法、激光全息術、激光多普勒法 （LDV法）等。測量流量、速度、濃度、重量含氣率分布等可以用 LDV法、取樣探針、電探針、光導纖維探針、分離器法等。測量平均截面含氣率可用放射性同位素法、γ射線法、分離器法等。

② 什麼是流體力學流體力學的研究方法

流體力學是在人類同自然界作斗爭和在生產實踐中逐步發展起來的。那麼你對流體力學了解多少呢?以下是由我整理關於什麼是流體力學的內容，希望大家喜歡!

流體力學的理論基礎

將粘性考慮在內的流體運動方程則是法國C.-L.-M.-H. 納維於1821年和英國G. G. 斯托克斯於1845年分別建立的，後得名為納維-斯托克斯方程，它是流體動力學的理論基礎。

由於納維-斯托克斯方程是一組非線性的偏微分方程，用分析方法來研究流體運動遇到很大困難。為了簡化方程，學者們採取了流體為不可壓縮和無粘性的假設，卻得到違背事實的達朗伯佯謬——物體在流體中運動時的阻力等於零。因此，到19世紀末，雖然用分析法的流體動力學取得很大進展，但不易起到促進生產的作用。

與流體動力學平行發展的是水力學(見液體動力學)。這是為了滿足生產和工程上的需要，從大量實驗中總結出一些經驗公式來表達流動參量之間關系的經驗科學。

使上述兩種途徑得到統一的是邊界層理論。它是由德國L. 普朗特在1904年創立的。普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數學論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實際計算簡單情形下，邊界層內流動狀態和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，並廣泛地應用到飛機和汽輪機的設計中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統一。

流體力學的研究方法

可以分為現場觀測、實驗室模擬、理論分析、數值計算四個方面：

現場觀測

對自然界固有的流動現象或已有工程的全尺寸流動現象，利用各種儀器進行系統觀測，從而總結出流體運動的規律並藉以預測流動現象的演變。過去對天氣的觀測和預報，基本上就是這樣進行的。但現場流動現象的發生不能控制，發生條件幾乎不可能完全重復出現，影響到對流動現象和規律的研究;現場觀測還要花費大量物力、財力和人力。因此，人們建立實驗室，使這些現象能在可以控制的條件下出現，以便於觀察和研究。

實驗室模擬

在實驗室內，流動現象可以在短得多的時間內和小得多的空間中多次重復出現，可以對多種參量進行隔離並系統地改變實驗參量。在實驗室內，人們也可以造成自然界很少遇到的特殊情況(如高溫、高壓)，可以使原來無法看到的現象顯示出來。現場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現的事物、沒有發生的現象(如待設計的工程、機械等)進行觀察，使之得到改進。因此，實驗室模擬是研究流體力學的重要方法。但是，要使實驗數據與現場觀測結果相符，必須使流動相似條件(見相似律)完全得到滿足。不過對縮尺模型來說，某些相似准數如雷諾數和弗勞德數不易同時滿足，某些工程問題的大雷諾數也難以達到。所以在實驗室中，通常是針對具體問題，盡量滿足某些主要相似條件和參數，然後通過現場觀測驗證或校正實驗結果。

理論分析

根據流體運動的普遍規律如質量守恆、動量守恆、能量守恆等，利用數學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現象，預測可能發生的結果。理論分析的步驟大致如下：

①建立“力學模型”

一般做法是：針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾並抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質的“力學模型”。流體力學中最常用的基本模型有：連續介質(見連續介質假設)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體(見粘性流體)、平面流動等。

②建立控制方程

針對流體運動的特點，用數學語言將質量守恆、動量守恆、能量守恆等定律表達出來，從而得到連續性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯系流動參量的關系式(例如狀態方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。流體運動在空間和時間上常有一定的限制，因此，應給出邊界條件和初始條件。整個流動問題的數學模式就是建立起封閉的、流動參量必須滿足的方程組，並給出恰當的邊界條件和初始條件。

③求解方程組

在給定的邊界條件和初始條件下，利用數學方法，求方程組的解。由於這方程組是非線性的偏微分方程組，難以求得解析解，必須加以簡化，這就是前面所說的建立力學模型的原因之一。力學家經過多年努力，創造出許多數學方法或技巧來解這些方程組(主要是簡化了的方程組)，得到一些解析解。

④對解進行分析解釋

求出方程組的解後，結合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結果同實驗結果進行比較，以確定所得解的准確程度和力學模型的適用范圍。

數值計算

前面提到的採用簡化模型後的方程組或封閉的流體力學基本方程組用數值方法求解。電子計算機的出現和發展，使許多原來無法用理論分析求解的復雜流體力學問題有了求得數值解的可能性。數值方法可以部分或完全代替某些實驗，節省實驗費用。數值計算方法最近發展很快，其重要性與日俱增。

四種研究方法之間的關系：

③ 流體運動學的流動的分析描述

在流體力學中描寫運動的方法有兩種，即拉格朗日方法和歐拉方法。拉格朗日方法著眼於流體質點（見連續介質假設），設法描述每個流體質點的位置隨時間變化的規律。通常利用初始時刻流體質點的直角坐標或曲線坐標a、b、c作為區分不同流體質點的標志。流體質點運動規律可表示成方程（1）的形式：

其中 是流體質點的矢徑；t為時間；變數a、b、c、t統稱為拉格朗日變數。對時間 t求式（1）的一次偏導數和二次偏導數，可分別得到流體質點的速度矢量相加速度矢量。歐拉方法著眼於空間點，設法在空間的每一點上描述出流體運動隨時間的變化狀況。通常用速度矢量v表示流體運動。於是歐拉方法中流體質點的運動規律可表為下式：

變數 稱為歐拉變數。式（2）確定的速度函數是定義在時間t和空間點上的，所以它是場。由式（2），可按下式求出加速度（見隨體導數）：

雖然拉格朗日方法和歐拉方法都能描述流體的運動，但在流體力學中，人們廣泛採用歐拉方法，較少採用拉格朗日方法，這是因為用歐拉變數得到的是場，可以運用研究得很充分的場論知識；而在拉格朗日方法中，由於式（1）不是場，所以無此優點。其次，在歐拉方法中，由於加速度是一階導數，所以運動方程組是一階偏微分方程組，它比拉格朗日方法中的二階偏微分方程組容易處理。

④ 流體的研究內容

流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產活動中隨時隨地都可遇到流體，所以流體力學是與人類日常生活和生產事業密切相關的。大氣和水是最常見的兩種流體，大氣包圍著整個地球，地球表面的70%是水面。大氣運動、海水運動(包括波浪、潮汐、中尺度渦旋、環流等)乃至地球深處熔漿的流動都是流體力學的研究內容。
20世紀初，世界上第一架飛機出現以後，飛機和其他各種飛行器得到迅速發展。20世紀50年代開始的航天飛行，使人類的活動范圍擴展到其他星球和銀河系。航空航天事業的蓬勃發展是同流體力學的分支學科——空氣動力學和氣體動力學的發展緊密相連的。這些學科是流體力學中最活躍、最富有成果的領域。
石油和天然氣的開采，地下水的開發利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質中的運動，這是流體力學分支之一——滲流力學研究的主要對象。滲流力學還涉及土壤鹽鹼化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過濾，燃燒室的冷卻等技術問題。
燃燒離不開氣體，這是有化學反應和熱能變化的流體力學問題，是物理-化學流體動力學的內容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過程，涉及氣體動力學，從而形成了爆炸力學。
沙漠遷移、河流泥沙運動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運動等，都涉及流體中帶有固體顆粒或液體中帶有氣泡等問題，這類問題是多相流體力學研究的范圍。
等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場作用下有特殊的運動規律。研究等離子體的運動規律的學科稱為等離子體動力學和電磁流體力學，它們在受控熱核反應、磁流體發電、宇宙氣體運動等方面有廣泛的應用。
風對建築物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發振動；廢氣和廢水的排放造成環境污染；河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕；研究這些流體本身的運動及其同人類、動植物間的相互作用的學科稱為環境流體力學(其中包括環境空氣動力學、建築空氣動力學)。這是一門涉及經典流體力學、氣象學、海洋學和水力學、結構動力學等的新興邊緣學科。
生物流變學研究人體或其他動植物中有關的流體力學問題，例如血液在血管中的流動，心、肺、腎中的生理流體運動和植物中營養液的輸送。此外，還研究鳥類在空中的飛翔，動物在水中的游動，等等。
因此，流體力學既包含自然科學的基礎理論，又涉及工程技術科學方面的應用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學、流體運動學和流體動力學；從對不同「力學模型」的研究來分，則有理想流體動力學、粘性流體動力學、不可壓縮流體動力學、可壓縮流體動力學和非牛頓流體力學等。
描述流體的兩種方法——拉格朗日方法和歐拉方法
拉格朗日方法，著眼於流體質點。設法描述出每個流體質點自始至終的運動過程，即它們的位置隨時間變化的規律。如果知道了所有流體質點的運動規律，那麼整個流體的運動狀況也就知道了。
歐拉方法，其著眼點不是流體質點，而是空間點，設法在空間中的每一點上描述出流體運動隨時間的變化狀況。

⑤ 流體力學的研究方法

可以分為現場觀測、實驗室模擬、理論分析、數值計算四個方面： 根據流體運動的普遍規律如質量守恆、動量守恆、能量守恆等，利用數學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現象，預測可能發生的結果。理論分析的步驟大致如下：
①建立「力學模型」
一般做法是：針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾並抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質的「力學模型」。流體力學中最常用的基本模型有：連續介質（見連續介質假設）、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體（見粘性流體）、平面流動等。
②建立控制方程
針對流體運動的特點，用數學語言將質量守恆、動量守恆、能量守恆等定律表達出來，從而得到連續性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯系流動參量的關系式（例如狀態方程），或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。流體運動在空間和時間上常有一定的限制，因此，應給出邊界條件和初始條件。整個流動問題的數學模式就是建立起封閉的、流動參量必須滿足的方程組，並給出恰當的邊界條件和初始條件。
③求解方程組
在給定的邊界條件和初始條件下，利用數學方法，求方程組的解。由於這方程組是非線性的偏微分方程組，難以求得解析解，必須加以簡化，這就是前面所說的建立力學模型的原因之一。力學家經過多年努力，創造出許多數學方法或技巧來解這些方程組（主要是簡化了的方程組），得到一些解析解。
④對解進行分析解釋
求出方程組的解後，結合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結果同實驗結果進行比較，以確定所得解的准確程度和力學模型的適用范圍。 前面提到的採用簡化模型後的方程組或封閉的流體力學基本方程組用數值方法求解。電子計算機的出現和發展，使許多原來無法用理論分析求解的復雜流體力學問題有了求得數值解的可能性。數值方法可以部分或完全代替某些實驗，節省實驗費用。數值計算方法最近發展很快，其重要性與日俱增。
四種研究方法之間的關系：
解決流體力學問題時，現場觀測、實驗室模擬、理論分析和數值計算幾方面是相輔相成的。實驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無聯系的現象和實驗數據中得出規律性的結論。反之，理論分析和數值計算也要依靠現場觀測和實驗室模擬給出物理圖案或數據以建立流動的力學模型和數學模式；最後，還須依靠實驗來檢驗這些模型和模式的完善程度。此外，實際流動往往異常復雜（例如湍流），理論分析和數值計算會遇到巨大的數學和計算方面的困難，得不到具體結果，只能通過現場觀測和實驗室模擬進行研究。

⑥ 流體力學中拉格朗日法和歐拉法有什麼不同

1、含義上的區別

拉格朗日法，又稱隨體法，跟隨流體質點運動，記錄該質點在運動過程中物理量隨時間變化規律。

歐拉法，又稱流場法，是以流體質點流經流場中各空間點的運動即以流場作為描述對象研究流動的方法。

2、特性上的區別

拉格朗日法基本特點是追蹤流體質點，以某一起始時刻每個質點的坐標位置，作為該質點的標志。

歐拉法的特點是單步，顯式，一階求導精度，截斷誤差為二階。基本思想是迭代，逐次替代，最後求出所要求的解，並達到一定的精度。

3、作用上的區別

拉格朗日法可直接運用固體力學中質點動力學進行分析，綜合所有質點的運動，構成整個流體的運動。

歐拉法簡單地取切線的端點作為下一步的起點進行計算，當步數增多時，誤差會因積累而越來越大。因此歐拉格式一般不用於實際計算。採用區間兩端的函數值的平均值作為直線方程的斜率，改進歐拉法的精度。

⑦ 地球流體力學的研究方法

地球流體力學同大氣動力學或海洋動力學之間並無明確的界限。一般說，地球流體力學研究的對象較廣並側重一般規律，主要任務是建立由自然界流體運動抽象出來的模式和研究如何抽象的方法。而對大氣運動和海洋運動的具體形態的研究則分別屬於大氣動力學和海洋動力學的范圍。
地球流體力學的研究方法有理論分析法、模擬實驗法和數值試驗法。理論分析法是通用的。模擬實驗法對研究地球流體運動的機理很有用，但難於在實驗室中復制大氣運動和海洋運動，因為不可能同時滿足眾多的相似條件。數值試驗法起著愈來愈重要的作用，因為自然界流體運動中各種現象往往同時並存，起作用的因子很多，機制極其復雜，非做數值計算難於得到較精確的結果。此外，實地觀測雖也是認識自然界流體運動的基該方法，但它屬於氣象學和海洋學的范圍，不包括在地球流體力學之中。

⑧ 流體力學的研究方法有哪些各有何特點

進行流體力學的研究可以分為現場觀測、實驗室模擬、理論分析、數值計算四個方面：現場觀測現場觀測是對自然界固有的流動現象或已有工程的全尺寸流動現象，利用各種儀器進行系統觀測，從而總結出流體運動的規律，並藉以預測流動現象的演變。過去對天氣的觀測和預報，基本上就是這樣進行的。實驗模擬不過現場流動現象的發生往往不能控制，發生條件幾乎不可能完全重復出現，影響到對流動現象和規律的研究；現場觀測還要花費大量物力、財力和人力。因此，人們建立實驗室，使這些現象能在可以控制的條件下出現，以便於觀察和研究。同物理學、化學等學科一樣，流體力學離不開實驗，尤其是對新的流體運動現象的研究。實驗能顯示運動特點及其主要趨勢，有助於形成概念，檢驗理論的正確性。二百年來流體力學發展史中每一項重大進展都離不開實驗。理論分析理論分析是根據流體運動的普遍規律如質量守恆、動量守恆、能量守恆等，利用數學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現象，預測可能發生的結果。理論分析的步驟大致如下：首先是建立「力學模型」，即針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾並抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質的「力學模型」。流體力學中最常用的基本模型有：連續介質、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。數值計算其次是針對流體運動的特點，用數學語言將質量守恆、動量守恆、能量守恆等定律表達出來，從而得到連續性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯系流動參量的關系式(例如狀態方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。求出方程組的解後，結合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結果同實驗結果進行比較，以確定所得解的准確程度和力學模型的適用范圍。從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數學問題，所以流體力學的發展是以數學的發展為前提。反過來，那些經過了實驗和工程實踐考驗過的流體力學理論，又檢驗和豐富了數學理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進行數學研究、發展數學理論的好課題。在流體力學理論中，用簡化流體物理性質的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變數和減少未知函數等方法來簡化數學問題，在一定的范圍是成功的，並解決了許多實際問題。對於一個特定領域，考慮具體的物理性質和運動的具體環境後，抓住主要因素忽略次要因素進行抽象化也同時是簡化，建立特定的力學理論模型，便可以克服數學上的困難，進一步深入地研究流體的平衡和運動性質。20世紀50年代開始，在設計攜帶人造衛星上天的火箭發動機時，配合實驗所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡化，才能及時得到指導設計的流體力學結論。此外，流體力學中還經常用各種小擾動的簡化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學是流體力學中採用小擾動方法而取得重大成就的最早學科。聲學中的所謂小擾動，就是指聲音在流體中傳播時，流體的狀態(壓力、密度、流體質點速度)同聲音未傳到時的差別很小。線性化水波理論、薄機翼理論等雖然由於簡化而有些粗略，但都是比較好地採用了小擾動方法的例子。每種合理的簡化都有其力學成果，但也總有其局限性。例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播；忽略了粘性就不能討論與它有關的阻力和某些其他效應。掌握合理的簡化方法，正確解釋簡化後得出的規律或結論，全面並充分認識簡化模型的適用范圍，正確估計它帶來的同實際的偏離，正是流體力學理論工作和實驗工作的精華。流體力學的基本方程組非常復雜，在考慮粘性作用時更是如此，如果不靠計算機，就只能對比較簡單的情形或簡化後的歐拉方程或N-S方程進行計算。20世紀30～40年代，對於復雜而又特別重要的流體力學問題，曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數值計算，比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。數學的發展，計算機的不斷進步，以及流體力學各種計算方法的發明，使許多原來無法用理論分析求解的復雜流體力學問題有了求得數值解的可能性，這又促進了流體力學計算方法的發展，並形成了「計算流體力學」。從20世紀60年代起，在飛行器和其他涉及流體運動的課題中，經常採用電子計算機做數值模擬，這可以和物理實驗相輔相成。數值模擬和實驗模擬相互配合，使科學技術的研究和工程設計的速度加快，並節省開支。綜合方法解決流體力學問題時，現場觀測、實驗室模擬、理論分析和數值計算幾方面是相輔相成的。實驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無聯系的現象和實驗數據中得出規律性的結論。反之，理論分析和數值計算也要依靠現場觀測和實驗室模擬給出物理圖案或數據，以建立流動的力學模型和數學模式；最後，還須依靠實驗來檢驗這些模型和模式的完善程度。此外，實際流動往往異常復雜(例如湍流)，理論分析和數值計算會遇到巨大的數學和計算方面的困難，得不到具體結果，只能通過現場觀測和實驗室模擬進行研究。