研究流体流动的两种方法的特点

‘壹’ 流体力学的研究方法有哪些各有何特点

进行流体力学的研究可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面：现场观测现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。实验模拟不过现场流动现象的发生往往不能控制，发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。因此，人们建立实验室，使这些现象能在可以控制的条件下出现，以便于观察和研究。同物理学、化学等学科一样，流体力学离不开实验，尤其是对新的流体运动现象的研究。实验能显示运动特点及其主要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。二百年来流体力学发展史中每一项重大进展都离不开实验。理论分析理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下：首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。数值计算其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程)，或者其他方程。这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。从基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的数学问题，所以流体力学的发展是以数学的发展为前提。反过来，那些经过了实验和工程实践考验过的流体力学理论，又检验和丰富了数学理论，它所提出的一些未解决的难题，也是进行数学研究、发展数学理论的好课题。在流体力学理论中，用简化流体物理性质的方法建立特定的流体的理论模型，用减少自变量和减少未知函数等方法来简化数学问题，在一定的范围是成功的，并解决了许多实际问题。对于一个特定领域，考虑具体的物理性质和运动的具体环境后，抓住主要因素忽略次要因素进行抽象化也同时是简化，建立特定的力学理论模型，便可以克服数学上的困难，进一步深入地研究流体的平衡和运动性质。20世纪50年代开始，在设计携带人造卫星上天的火箭发动机时，配合实验所做的理论研究，正是依靠一维定常流的引入和简化，才能及时得到指导设计的流体力学结论。此外，流体力学中还经常用各种小扰动的简化，使微分方程和边界条件从非线性的变成线性的。声学是流体力学中采用小扰动方法而取得重大成就的最早学科。声学中的所谓小扰动，就是指声音在流体中传播时，流体的状态(压力、密度、流体质点速度)同声音未传到时的差别很小。线性化水波理论、薄机翼理论等虽然由于简化而有些粗略，但都是比较好地采用了小扰动方法的例子。每种合理的简化都有其力学成果，但也总有其局限性。例如，忽略了密度的变化就不能讨论声音的传播；忽略了粘性就不能讨论与它有关的阻力和某些其他效应。掌握合理的简化方法，正确解释简化后得出的规律或结论，全面并充分认识简化模型的适用范围，正确估计它带来的同实际的偏离，正是流体力学理论工作和实验工作的精华。流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20世纪30～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了“计算流体力学”。从20世纪60年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。综合方法解决流体力学问题时，现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之，理论分析和数值计算也要依靠现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据，以建立流动的力学模型和数学模式；最后，还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。此外，实际流动往往异常复杂(例如湍流)，理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得不到具体结果，只能通过现场观测和实验室模拟进行研究。

‘贰’ 流体的流动状态分为哪几种各有何特点

层流和湍流

层流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。

这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。

‘叁’ 描述流体运动的有哪些方法各自的特点是什么

层流流体种流状态.流速,流体层流,互混合,称层流,或称片流；逐渐增加流速,流体流线始现波浪状摆,摆频率及振幅随流速增加增加,种流况称渡流；流速增加,流线再清楚辨,流场许漩涡,称湍流,称乱流、扰流或紊流.
种变化用雷诺数量化.雷诺数较,黏滞力流场影响于惯性力,流场流速扰黏滞力衰减,流体流稳定,层流；反,若雷诺数较,惯性力流场影响于黏滞力,流体流较稳定,流速微变化容易发展、增强,形紊乱、规则湍流流场.

‘肆’ 流体的流动形态有哪两种如何判断流体的流动形态

流体的流动形态分为层流和湍流（紊流）两种基本形态，以及这两种形态的过度形态（过渡流）。

层流：流体分层流动，相邻两层流体间只作相对滑动，流 层间没有横向混杂。

湍流：当流体流速超过某一数值时，流体不再保持分层流 动，而可能向各个方向运动，有垂直于管轴方向的分速度，各流层将混淆起来，并有可能出现涡旋，这种流动状态叫湍流。

更专业的说法是：流体流动时,如果流体质点的轨迹(一般说随初始空间坐标x、y、z和时间t而变)是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线），这种流动叫层流。没有这种性质的流动叫湍流。

过渡流：介于层流与湍流间的流动状态很不稳定，称为过渡流动。

判断管道中的流体流动形态有一个无量纲的数━━雷诺数作为判据：

Re=ρvr/μ

式中：Re - 雷诺数；ρ - 密度；v - 流速；r - 管道半径；μ - 粘度。

实验证明：

Re＜1000层流；

1000＜Re＜1500过渡流；

Re＞1500湍流；

在没有测量手段的情况下，可根据湍流区别于层流的特点之一，能发出声音，来大致判断流动形态。

‘伍’ 流体力学中拉格朗日法和欧拉法有什么不同

朗格朗日法研究对象是质点，欧拉法研究的是空间点。打个比方，你考察某个城市的公共交通情况，一种方法是观察每个人乘坐公交车的情况，这就是拉格朗日发；还有一种方法就是考察每个公共汽车站的人流情况，这就是欧拉法。

‘陆’ 你知道哪些关于欧拉法的知识

又称欧拉表示法，它不考察个别流点的运动情况，而是一种通过研究流体中空间固定点上流动况来研究流体运动的方法。采用欧拉法，是把流体运动视作流场随时间的变化，即流速空间分布的时间变化。欧拉法是常微分方程的数值解法的一种，其基本思想是迭代。其中分为前进的EULER法、后退的EULER法、改进的EULER法。所谓迭代，就是逐次替代，最后求出所要求的解，并达到一定的精度。误差可以很容易地计算出来。欧拉法简单地取切线的端点作为下一步的起点进行计算，当步数增多时，误差会因积累而越来越大。因此欧拉格式一般不用于实际计算。改进欧拉格式：为提高精度，需要在欧拉格式的基础上进行改进。采用区间两端的函数值的平均值作为直线方程的斜率。改进欧拉法的精度为二阶。

‘柒’ 液体的流动状态有几种各自的特点以及判别方法是什么

液体的流动状态有两种，分别是层流和紊流。

层流：是流体流动呈现层状，粘结力起主导作用，液体质点受粘性的约束，流动时能量损失少。

紊流：是流体流动呈现混杂状，惯性力起主导作用，粘结力的制约作用减弱，流动时能量损失大。

液体的流动状态用雷诺系数来判断，当雷诺系数Re＜Rec时流动状态为层流，当雷诺系数Re＞Rec时流动状态为紊流。

流体在管内低速流动时呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5。

(7)研究流体流动的两种方法的特点扩展阅读：

在低雷诺数的情况下，细致地调节细管中红水的流速，当它与主流管内水流速度相近时，可以看到清水中有稳定而清晰的红色水平流线，主流管中各水层互不干扰，是层流的典型例子。

经常遇见的层流现象还有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、微小颗粒在粘性流体中运动时引起的流动、液体或气体流经物体表面附近形成的边界层中的流动等。

层流稳定性问题和充分发展的紊流特性问题是紊流理论中重要的内容。层流稳定性问题，层流对外来的各种扰动均具有一定的抑制能力，这种能力称为流动的稳定性。

流体的惯性使扰动扩大，但流体的粘性则抑制扰动，故流动的稳定性随雷诺数的增大而减弱。层流开始转变为紊流的雷诺数称为临界雷诺数。小扰动法是分析流动稳定性的一个重要理论。在多数情况下，壁面剪切流中的扰动逐渐增长，使流动失稳而形成紊流斑，最后形成紊流。

‘捌’ 流体力学的研究方法有哪些各有何特点

大概分三类
一、理论研究方法。主要通过方程推导演算来分析流体的运动过程，但是N-S方程求解很困难，应该说暂时解不出来，通过构建各种流体模型方程组来求解。
二、实验流体力学。顾名思义就是通过具体实验来描叙流体的运动状况，主要是根据相似理论，用具有代表性的流动情况来近似代表一般流动。
三、数值方法。近年来发展比较迅速也比较热门的领域，通过计算机来模拟流动状况，一般代表性的软件有fluent，phoenics等。

‘玖’ 流体力学中拉格朗日法和欧拉法有什么不同

1、含义上的区别

拉格朗日法，又称随体法，跟随流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规律。

欧拉法，又称流场法，是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述对象研究流动的方法。

2、特性上的区别

拉格朗日法基本特点是追踪流体质点，以某一起始时刻每个质点的坐标位置，作为该质点的标志。

欧拉法的特点是单步，显式，一阶求导精度，截断误差为二阶。基本思想是迭代，逐次替代，最后求出所要求的解，并达到一定的精度。

3、作用上的区别

拉格朗日法可直接运用固体力学中质点动力学进行分析，综合所有质点的运动，构成整个流体的运动。

欧拉法简单地取切线的端点作为下一步的起点进行计算，当步数增多时，误差会因积累而越来越大。因此欧拉格式一般不用于实际计算。采用区间两端的函数值的平均值作为直线方程的斜率，改进欧拉法的精度。

‘拾’ ,描述流体流动两种流动类型的质点的运动方式有何区别

滞流与湍流。
流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。
滞流与湍流的区分不仅在于各有不同的Re值，更重要的是它们的本质区别即流体内部质点的运动方式。