研究流體最常用的方法(流體力學(xué)的研究方法)
1.流體力學(xué)的研究方法有哪些
進(jìn)行流體力學(xué)的研究可以分為現場(chǎng)觀(guān)測、實(shí)驗室模擬、理論分析、數值計算四個(gè)方面：現場(chǎng)觀(guān)測現場(chǎng)觀(guān)測是對自然界固有的流動(dòng)現象或已有工程的全尺寸流動(dòng)現象，利用各種儀器進(jìn)行系統觀(guān)測，從而總結出流體運動(dòng)的規律，并借以預測流動(dòng)現象的演變。
過(guò)去對天氣的觀(guān)測和預報，基本上就是這樣進(jìn)行的。實(shí)驗模擬不過(guò)現場(chǎng)流動(dòng)現象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復出現，影響到對流動(dòng)現象和規律的研究；現場(chǎng)觀(guān)測還要花費大量物力、財力和人力。
因此，人們建立實(shí)驗室，使這些現象能在可以控制的條件下出現，以便于觀(guān)察和研究。同物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科一樣，流體力學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗，尤其是對新的流體運動(dòng)現象的研究。
實(shí)驗能顯示運動(dòng)特點(diǎn)及其主要趨勢，有助于形成概念，檢驗理論的正確性。二百年來(lái)流體力學(xué)發(fā)展史中每一項重大進(jìn)展都離不開(kāi)實(shí)驗。
理論分析理論分析是根據流體運動(dòng)的普遍規律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數學(xué)分析的手段，研究流體的運動(dòng)，解釋已知的現象，預測可能發(fā)生的結果。理論分析的步驟大致如下：首先是建立“力學(xué)模型”，即針對實(shí)際流體的力學(xué)問(wèn)題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問(wèn)題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。
流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續介質(zhì)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動(dòng)等。數值計算其次是針對流體運動(dòng)的特點(diǎn)，用數學(xué)語(yǔ)言將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律表達出來(lái)，從而得到連續性方程、動(dòng)量方程和能量方程。
此外，還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式（例如狀態(tài)方程），或者其他方程。這些方程合在一起稱(chēng)為流體力學(xué)基本方程組。
求出方程組的解后，結合具體流動(dòng)，解釋這些解的物理含義和流動(dòng)機理。通常還要將這些理論結果同實(shí)驗結果進(jìn)行比較，以確定所得解的準確程度和力學(xué)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(xué)問(wèn)題，所以流體力學(xué)的發(fā)展是以數學(xué)的發(fā)展為前提。反過(guò)來(lái)，那些經(jīng)過(guò)了實(shí)驗和工程實(shí)踐考驗過(guò)的流體力學(xué)理論，又檢驗和豐富了數學(xué)理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進(jìn)行數學(xué)研究、發(fā)展數學(xué)理論的好課題。
在流體力學(xué)理論中，用簡(jiǎn)化流體物理性質(zhì)的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變量和減少未知函數等方法來(lái)簡(jiǎn)化數學(xué)問(wèn)題，在一定的范圍是成功的，并解決了許多實(shí)際問(wèn)題。對于一個(gè)特定領(lǐng)域，考慮具體的物理性質(zhì)和運動(dòng)的具體環(huán)境后，抓住主要因素忽略次要因素進(jìn)行抽象化也同時(shí)是簡(jiǎn)化，建立特定的力學(xué)理論模型，便可以克服數學(xué)上的困難，進(jìn)一步深入地研究流體的平衡和運動(dòng)性質(zhì)。
20世紀50年代開(kāi)始，在設計攜帶人造衛星上天的火箭發(fā)動(dòng)機時(shí)，配合實(shí)驗所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡(jiǎn)化，才能及時(shí)得到指導設計的流體力學(xué)結論。此外，流體力學(xué)中還經(jīng)常用各種小擾動(dòng)的簡(jiǎn)化，使微分方程和邊界條件從非線(xiàn)性的變成線(xiàn)性的。
聲學(xué)是流體力學(xué)中采用小擾動(dòng)方法而取得重大成就的最早學(xué)科。聲學(xué)中的所謂小擾動(dòng)，就是指聲音在流體中傳播時(shí)，流體的狀態(tài)（壓力、密度、流體質(zhì)點(diǎn)速度）同聲音未傳到時(shí)的差別很小。
線(xiàn)性化水波理論、薄機翼理論等雖然由于簡(jiǎn)化而有些粗略，但都是比較好地采用了小擾動(dòng)方法的例子。每種合理的簡(jiǎn)化都有其力學(xué)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(guān)的阻力和某些其他效應。掌握合理的簡(jiǎn)化方法，正確解釋簡(jiǎn)化后得出的規律或結論，全面并充分認識簡(jiǎn)化模型的適用范圍，正確估計它帶來(lái)的同實(shí)際的偏離，正是流體力學(xué)理論工作和實(shí)驗工作的精華。
流體力學(xué)的基本方程組非常復雜，在考慮粘性作用時(shí)更是如此，如果不靠計算機，就只能對比較簡(jiǎn)單的情形或簡(jiǎn)化后的歐拉方程或N-S方程進(jìn)行計算。20世紀30~40年代，對于復雜而又特別重要的流體力學(xué)問(wèn)題，曾組織過(guò)人力用幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間做數值計算，比如圓錐做超聲速飛行時(shí)周?chē)臒o(wú)粘流場(chǎng)就從1943年一直算到1947年。
數學(xué)的發(fā)展，計算機的不斷進(jìn)步，以及流體力學(xué)各種計算方法的發(fā)明，使許多原來(lái)無(wú)法用理論分析求解的復雜流體力學(xué)問(wèn)題有了求得數值解的可能性，這又促進(jìn)了流體力學(xué)計算方法的發(fā)展，并形成了“計算流體力學(xué)”。從20世紀60年代起，在飛行器和其他涉及流體運動(dòng)的課題中，經(jīng)常采用電子計算機做數值模擬，這可以和物理實(shí)驗相輔相成。
數值模擬和實(shí)驗模擬相互配合，使科學(xué)技術(shù)的研究和工程設計的速度加快，并節省開(kāi)支。綜合方法解決流體力學(xué)問(wèn)題時(shí)，現場(chǎng)觀(guān)測、實(shí)驗室模擬、理論分析和數值計算幾方面是相輔相成的。
實(shí)驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無(wú)聯(lián)系的現象和實(shí)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(chǎng)觀(guān)測和實(shí)驗室模擬給出物理圖案或數據，以建立流動(dòng)的力學(xué)模型和數學(xué)模式；最后，還須依靠實(shí)驗來(lái)檢驗這些模型和模式的完善程度。
此外，實(shí)際流動(dòng)往往異常復雜（例如湍流），理論分析和數值計算會(huì )遇到巨大的數學(xué)和計算方面的困難，得不到具體結果，只能通過(guò)現場(chǎng)觀(guān)測和實(shí)驗室模擬進(jìn)行研究。
2.流體力學(xué)的研究方法
可以分為現場(chǎng)觀(guān)測、實(shí)驗室模擬、理論分析、數值計算四個(gè)方面： 根據流體運動(dòng)的普遍規律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數學(xué)分析的手段，研究流體的運動(dòng)，解釋已知的現象，預測可能發(fā)生的結果。理論分析的步驟大致如下：
①建立“力學(xué)模型”
一般做法是：針對實(shí)際流體的力學(xué)問(wèn)題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問(wèn)題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續介質(zhì)（見(jiàn)連續介質(zhì)假設）、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體（見(jiàn)粘性流體）、平面流動(dòng)等。
②建立控制方程
針對流體運動(dòng)的特點(diǎn)，用數學(xué)語(yǔ)言將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律表達出來(lái)，從而得到連續性方程、動(dòng)量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式（例如狀態(tài)方程），或者其他方程。這些方程合在一起稱(chēng)為流體力學(xué)基本方程組。流體運動(dòng)在空間和時(shí)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(gè)流動(dòng)問(wèn)題的數學(xué)模式就是建立起封閉的、流動(dòng)參量必須滿(mǎn)足的方程組，并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(xué)方法，求方程組的解。由于這方程組是非線(xiàn)性的偏微分方程組，難以求得解析解，必須加以簡(jiǎn)化，這就是前面所說(shuō)的建立力學(xué)模型的原因之一。力學(xué)家經(jīng)過(guò)多年努力，創(chuàng )造出許多數學(xué)方法或技巧來(lái)解這些方程組（主要是簡(jiǎn)化了的方程組），得到一些解析解。
④對解進(jìn)行分析解釋
求出方程組的解后，結合具體流動(dòng)，解釋這些解的物理含義和流動(dòng)機理。通常還要將這些理論結果同實(shí)驗結果進(jìn)行比較，以確定所得解的準確程度和力學(xué)模型的適用范圍。 前面提到的采用簡(jiǎn)化模型后的方程組或封閉的流體力學(xué)基本方程組用數值方法求解。電子計算機的出現和發(fā)展，使許多原來(lái)無(wú)法用理論分析求解的復雜流體力學(xué)問(wèn)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(shí)驗，節省實(shí)驗費用。數值計算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。
四種研究方法之間的關(guān)系：
解決流體力學(xué)問(wèn)題時(shí)，現場(chǎng)觀(guān)測、實(shí)驗室模擬、理論分析和數值計算幾方面是相輔相成的。實(shí)驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無(wú)聯(lián)系的現象和實(shí)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(chǎng)觀(guān)測和實(shí)驗室模擬給出物理圖案或數據以建立流動(dòng)的力學(xué)模型和數學(xué)模式；最后，還須依靠實(shí)驗來(lái)檢驗這些模型和模式的完善程度。此外，實(shí)際流動(dòng)往往異常復雜（例如湍流），理論分析和數值計算會(huì )遇到巨大的數學(xué)和計算方面的困難，得不到具體結果，只能通過(guò)現場(chǎng)觀(guān)測和實(shí)驗室模擬進(jìn)行研究。
3.常見(jiàn)的流體輸送方式有哪幾種
1高位槽送料
化工生產(chǎn)中，各容器、設備之間常常會(huì )存在一定的位差，當工藝要求將處在高位設備內的液體輸送到低位設備內時(shí)，可以通過(guò)直接將兩設備用管道連接的辦法實(shí)現，這就是所謂的高位槽送液。另外，在要求特別穩定的場(chǎng)合，也常常設置高位槽，以避免輸送機械帶來(lái)的波動(dòng)。如圖51所示，脫甲醇塔的回流就是靠高位的塔頂冷凝器來(lái)維持的。高位槽送液時(shí)，高位槽的高度必須能夠保證輸送任務(wù)所要求的流量。
高位槽的液體需通過(guò)泵壓送或負壓輸送提升到高位槽。在提升的過(guò)程中由于流體的摩擦，很容易在高位槽或計量槽產(chǎn)生靜電火花而引燃物系，因此，在往高位槽或計量槽輸送物料流體時(shí)，除控制流速之外，還應將流體人口管插入液下。凡是與物料相關(guān)的設備、管線(xiàn)、閥門(mén)、法蘭等都應形成一體并可靠的接地。
2真空抽料
真空抽料是指通過(guò)真空系統的負壓來(lái)實(shí)現流體從一個(gè)設備到另一個(gè)設備的操作。如圖52所示，先將燒堿從堿貯槽放人燒堿中間槽1內，然后通過(guò)調節閥門(mén)，利用真空系統產(chǎn)生的真空將燒堿吸入高位槽2內。
真空抽料是化工生產(chǎn)中常用的一種流體輸送方法，結構簡(jiǎn)單，操作方便，沒(méi)有動(dòng)件，但流量調節不方便，需要真空系統，不適于輸送易揮發(fā)的液體，主要用在間歇送料場(chǎng)合。
有機溶劑采用桶裝真空抽料時(shí)，由于輸送過(guò)程有可能產(chǎn)生靜電積累，因此輸送系統必須設計有良好的接地系統，輸送系統的管線(xiàn)應當采用金屬，不應采用非金屬管線(xiàn)。桶裝真空抽料快結束時(shí)，由于液位降至吸口以下，很可能產(chǎn)生靜電放電，由于采用非導體吸管，吸管會(huì )帶上很高的電荷，在移至罐口時(shí)會(huì )出現放電火花而引燃或引爆料桶內液體蒸氣。
在連續真空抽料時(shí)（例如多效并流蒸發(fā)中），下游設備的真空度必須滿(mǎn)足輸送任務(wù)的流量要求，還要符合工藝條件對壓力的要求。
真空輸送如果是易燃液體，需注意輸送過(guò)程的密閉性，系統和易燃蒸氣形成爆炸性混合系，在點(diǎn)火源的作用下就會(huì )引起爆炸。空氣和蒸氣的混合物在流動(dòng)過(guò)程中增大了產(chǎn)生靜電放電的可能性，這是十分危險的。真空輸送物料其真空泵的電氣帶有大量的液霧或蒸氣，真空破壞，空氣就會(huì )進(jìn)入這種液霧或蒸氣若不冷凝回收處理，直接排放就會(huì )很容易在擴散中遇到引火源而發(fā)生爆炸或燃燒。采用負壓往往是出于安全考慮。負壓操作的關(guān)鍵是防止易燃易爆氣體或粉塵大量抽人真空泵，因此真空泵前應有洗滌或過(guò)濾裝置。其次，恢復常壓時(shí)應小心，一般應待溫度降低后再緩緩放進(jìn)空氣，以防氧化燃燒。負壓操作的設備不得漏氣，以免空氣進(jìn)入設備內部形成爆炸性混合物而增加燃燒爆炸危險。此外，設備強度應符合要求，以防抽癟而發(fā)生事故。
3壓縮空氣送料
采用壓縮空氣送料也是化工生產(chǎn)中常用的方法。例如酸貯槽，如圖53所示，先將貯槽中的酸放人容器，然后通人壓縮空氣，在壓力的作用下，將酸輸送至目標設備。這種方法結構簡(jiǎn)單無(wú)動(dòng)件，可間歇輸送腐蝕性大不易燃易爆的流體，但流量小且不易調節，只能間歇輸送流體。
壓縮空氣送料時(shí)，空氣的壓力必須滿(mǎn)足輸送任務(wù)對揚程的要求。
