現代流體力學探討及其未來發展淺析

吳曉龍

摘 要：二十世紀以后，流體力學無論是從自身技術研究還是工程廣泛應用方面均進入一個前所未有的大發展時期。首先，闡述流體力學及支撐其的基本定律，把握其理論范疇和特點；其次，研究借助流體力學所應用的領域，總結其工程經驗；最后，結合當下運用流體力學的情況，簡要分析未來流體力學技術層面上的發展趨勢。

關鍵詞：流體力學；技術特點；應用領域；發展趨勢

中圖分類號：O35 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0216-02

1 前言

隨著技術水平日益提高和生產工具不斷革新，相關的現代流體力學研究工作被極大地推動，流體力學的理論體系也充分得到了驗證和完善。同時，現代流體力學廣泛應用于與人民生活息息相關的各行各業，為人類社會的向前發展提供了強有力的支撐[1]。

下面，重點從三個維度解讀和研究：了解什么是流體力學及其典型支撐理論，掌握流體力學應用于哪些領域，推斷流體力學的未來發展趨勢。

2 流體力學及其典型理論

2.1 流體力學定義

流體力學，是用以研究無固定形狀且具備易于流動屬性物體（簡稱：流體）的力學運動規律及其相關應用的學科[2]。在流體力學中，受到各種力影響下的主要研究和分析內容包含流體本身形態，流體與固體壁面，流體和流體間，流體與其他運動形態等。

作為力學中一個重要分支的流體力學，主要研究其靜止和運動兩種典型狀態、流體和固體界壁間相互作用時的流動規律。

研究流體力學的依托的基礎主要是牛頓運動定律和質量守恒定律，另外還會借助到熱力學、宏觀電動力學、高等數學、物理學、化學等相關基礎理論。

2.2 流體的基本屬性解析

為了更好地理解流體，下面對流體的基本屬性進行解讀，具體表1所示。

2.3 流體依循的理論定律

為了研究流體的運動規律，通常從質量守恒定律、牛頓運動定律（動量定理）和能量守恒定律（熱力學第一定律和熱力學第二定律）等方面入手。

2.3.1 質量守恒定律

眾所周知，物體的質量可以以不同形式存在，但不管經歷什么形式的運動，物體的質量總是不變的。將以上的質量守恒定律應用在流體力學當中，如果單位時間內流體的質量增加，那么流體的質量增量等同于以上時間間隔內并入該流體的凈質量[3]。假設流體體積為V，那么流體的質量守恒定律數學公式如下。

（1）

2.3.2 動量定理

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

（2）

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

2.3.3 熱力學第一定律

簡而言之，能量是物質做功大小的度量。通常情況下，流體的能量涵蓋了動能、內能和重力勢能。依據熱力學第一定律[5]，流體自身能量計算方式如下。

（3）

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

2.3.4 熱力學第二定律

受到外界熱傳導等現象后，流體本身將會作出相應的反應并發生變化。根據熱力學第二定律[6]，流體自身響應計算方式如下。

（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 流體力學的應用

隨著國內外科學技術不斷更新和科學水平日益提高，現代流體力學應用的領域越來越廣泛。目前，流體力學主要的應用領域主要包含能源與環境、交通運輸、工業設計、信息與控制、生物醫學等[7]。

3.1 能源與環境

能源泛指可再生能源和不可再生能源。在能源應用方面，通常利用流體力學來指導和設計能源在其應用全生命周期中的科學采能、儲能和用能環節。比如：石油、煤漿的傳輸管道設計需要考慮如何適用于不同流體形態的流轉問題；天然氣的高效燃燒進而產出優質能工作需要考慮射流技術，而射流技術又與流體本身屬性息息相關。

同時，隨著人類社會進程的不斷向前推進，能源的不合理開采和使用問題造成了環境的失衡和惡化的后果。全球性的環境整頓、治理和調優過程可以歸結為環境保護的行為規范指南，而此行為屬性恰恰與流體行為相吻合。比如，我國當下的霧霾消除問題是一個利用流體力學分析的環境修復系統性工程。

3.2 交通運輸

涉及到交通運輸領域，不得不提到中國的高鐵、日本的新干線，正是鐵路運輸的提速變革，大大地影響了人類社會的出行格局，同時為未來的出行選擇提出了可參考性的依據。以高鐵為例，輻射目前我國的整個交通運輸領域，“交通流”的概念已得到不同交通運輸行業的應用和推廣。結合交通流，依托流體力學，構建其自身特點的運輸模型。根據時空特點，將流體力學的科學屬性植入到的目前交通中，指導和預判交通走勢，為后續需求的運輸提前做規劃。

3.3 工業設計

從能量守恒的角度上分析，當下很多行業借助流體力學建立數學模型，打造功率消耗最小代價的產品。

為了將工業設計出來的固體產品具備流動性，以減少空氣阻力和表面壓強，傳統的汽車行業在外觀設計基本上如出一轍地采用滿足流體力學屬性的設計理念，將汽車的外觀的流線設計賦予流體屬性。同時，在高科技密集程度更高的航天航空領域，著名的“無粘不可壓縮流體位勢流”理論已成功應用于機翼設計環節中。未來，工業設計和流體力學的高度融合，將會革命性地實現工業領域中跨越式發展。

3.4 信息與控制

在信息與控制行業，重點圍繞微電子技術和測控技術開展的各項研究、生產和應用。涉及微電子行業，不得不提及中國芯和集成電路。當下，正值中美貿易戰，如何在信息領域勝出甚至未來在全球信息行業中占主導地位，不得不從基礎性技術中去提煉和挖掘新的突破點。不論芯片自主設計或是集成電路安全可控，都可以歸結為“電子流”的縝密設計。電力流的勢能效應完全可以利用流體力學的熱力學定律進行量化和優化。

3.5 生物醫學

當前，無論是臨床實驗抑或藥理研究，依托血液為測試載體是主流方向。另外，血液還肩負著生物本體新陳代謝的職責。

眾所周知，血液本質上屬于流體。借助對血液的分析與研究，完全可以套用日益成熟的流體力學。結合生物醫學和流體力學，目前已衍生出交叉學科——生物流體力學。生物流體力學主要研究動物和人體內循環、呼吸系統的生理流體（如血液、氣體、尿液、淋巴液和其他體液等）的流體力學問題；研究主要包括以下五大分支：生理流動及流體力學（基本探究）、連續介質力學（宏觀理論基礎）、血液流變與心血管系統力學（生物學基本基礎）、生物流體動力學、其他生理學與力學問題。

4 流體力學未來發展趨勢

隨著目前流體力學基礎性學科不斷深化和借助流體力學擴展應用的領域不斷增加，未來流體力學發展趨勢將會大體分為兩大方向。方向一：面向流體力學的理論研究；方向二：面向應用的流體力學支撐。

4.1 面向流體力學的理論研究

通常情況下，流體力學的理論研究主要難點在于模型的建立。檢驗流體力學理論及推理優劣的手段之一是借用數學模型衡量。通過構建流體力學的數學模型，模擬仿真場景，檢驗算法的普適性、魯棒性，最終將優勝劣汰的流體力學理論保留下來。

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

其次，明確流體力學理論研究對象庫。基于流體流動對象分析和拓展，主要打造湍流對象庫、流體穩定對象庫、混沌對象庫、非線性波動對象庫、渦運動對象庫。

最后，利用中間件技術將流體力學算法模型進行封裝。通過中間價技術將流體力學模型進行拓展和互聯，以松耦合的方式將流體力學算法模型進行拓撲關系進行管理。

4.2 面向應用的流體力學支撐

面向應用的流體力學在技術方面的支撐，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，提高流體本身的計算能力，為下一步行動提供有據可查的預判。

“軀干”即將流體力學中提供互聯互通的行為。借助區塊鏈綜合應用方法，實現流體自身和外界交互，綜合衡量流體行走路徑。

5 結語

未來的流體力學研究注定是一個諸多學科交織的學術研究和產業應用交疊熱點。除了傳統行業的流體力學應用和發展，目前我國朝陽產業或占據國民經濟主要地位的電子金融、房地產經濟、物聯網、X+區塊鏈等都與流體力學技術息息相關。

為了更加精準地掌握流體力學內核和外延，仍應持續關注流體力學自身技術發展的同時不斷拓展應用場景。

參考文獻

[1]格根敖其.淺談現代流體力學發展的回顧與展望[J].學周刊，2018，（6）：172-173.

[2]D.普郎特，郭永懷.流體力學概論[M].科學出版社，1981.

[3]應德勇.淺析動量定理的應用[J].中學生理科應試，2017，（11）：25-27.

[4]魏蔚，吳建琴，馬曉棟.關于熱力學第一定律的講述[J].新疆師范大學學報（自然科學版），2011，（4）：59-62.

[5]高炳坤.重整熱力學第二定律的理論體系[J].大學物理，1999，18（12）：17-21.

[6]李家春.現代流體力學發展的回顧與展望[J].力學進展，1995，25（4）：442-450.