流体力学的研究方法

流体力学的研究方法

摘要：首先结合参考文献介绍了流体力学的一般研究方法（实验、理论分析和数值）。并从宏观上说明了思维方式对流体力学研究的重要性。最后结合其它学科的发展趋势提出了自己的一种不成熟新的流体力学研究方法（统计分析法）。

关键词：理论分析方法实验方法数值方法基础研究哲学思想实践统计学流体子概率

流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门学科，是力学的一个重要分支。按其研究内容的侧重点不同，分为理论流体力学和工程流体力学。其中理论流体力学主要采用严密的数学推理方法，力求准确性和严密性，工程流体力学侧重于解决工程实际中出现的问题，而不追求数学上的严密性。当然由于流体力学研究的复杂性，在一定程度上，两种方法都必须借助于实验研究，得出经验或半经验的公式。

在实际工程中，如水利工程、动力工程、航空工程、化学工程、机械工程等诸多领域流体力学都起着十分重要的作用。

流体力学的研究对象包括液体和气体，它们统称为流体。流体力学主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态特征，以及流体和相邻固体界面有相对运动时的相互作用和流动规律。我们在工程流体力学中主要是研究流体中大量分子的宏观平均运动规律，而忽略对其具体分子运动的研究。

目前，解决流体力学问题的方法有实验、理论分析和数值方法等三种。

理论分析方法

理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但分析范围有限。

实验方法

实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。

典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞实验、水池实验等。测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力密度测量等。现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。

实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。

数值方法

数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。

常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工程计算软件已成为研究工程流动问题的有力武器。数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。

三种方法各有优缺点，我们应取长补短，互为补充。流体力学力学的研究不仅需要深厚的理论基础，而且需要很强的动手能力。学习流体力学应注意理论与实践结合，理论分析、实验研究和数值计算并重。

流体力学的研究方法固然重要，但俗话说的好“态度决定一切”真正决定我们研究成果高低的是我们的思维方式。作为工科学生我们在流体力学的研究和学习过程中要注重自身的思维方式的培养。我们在以后的研究和学习中要注意以下几点：

首先，基础研究非常重要，打好基础对人的一生成长、成就至关重要，同时我们也要注意知识的广度和交叉性。阿基米德能编写出《论浮体》这本书与他扎实的力学和数学功底是分不开的，伯努力和欧拉方程的建立是离不开微积分的推导的，更离不开他们在其它学科上的造诣。

其次，我们要有一定的哲学和辩证唯物法的观点，在以后的研究过程中一定不要出现与自然界的基本规律相矛盾的课题。从古到今很多优秀的人才为永动机等不可实现的东西耗费了大量的时间和精力，有的甚至是毕生的，但最后一无所获，这一点我是深有体会，因为中学阶段我也曾构思和制造过永动机。用纯理论推导得出的“达朗贝尔佯谬”这种理论在一些时期也有追随者，这就是对哲学和大自然的一般规律无知的后果。学好哲学能够从战略上指导我们流体力学的研究。

再次，我们要注重经验而不迷信权威，注重理论而不依赖理论。经验是我们的祖先通过世代的所积累的，有些可能没有理论依据，但它来源于生活有着不可否认的正确性，在我们工程流体力学中有着大量经验，半经验公式，它们将是是我们以后解决工程实际问题的一把利剑，堪称世界奇迹的都江堰水利工程的成功是靠的就是我们祖先祖祖辈辈的经验。理论对实际的研究有着十分重要的指导意义，我们决不能忽视理论的学习，但也不能过于依赖，否则就会出现“达朗贝尔佯谬”这种错误，我们要相信经过实践检验的理论。

最后，我们要注意观察，注意自身动手能力的提高，培养自己的创新思维。在刮风、下雨、游泳、呼吸等日常生活现象中，流体力学的知识是无处不在。只要我们注意观察、勤于思考创意的火花就会像“苹果落地”一样在我们的脑海中震荡一番，然后一个像牛顿第一定律一样的理论可能由此诞生。但我们决不能忽视实验，因为实践是检验真理的唯一标准，只有经的起实践推敲的理论和思想才能最终为世人所接受。

统计学现在已经发展成一门比较成熟学科，其在量子物理等诸多方面都有十分重大的作用。我觉得统计学很有可能发展成为一种流体力学分析方式。

下面是本人的一点不甚成熟的见解：

我们可以设想流体是由无数“流体子”构成的，流体子有以下性质：

1.流体子是流体研究中的最小单位，在用拉格朗日法分析每个质点运动规律时的每一

个最小质点都可以看作为一个“流体子”或“流体子团”，它们可以小到一个原

子；

2.流体子在力场（如重力场）作用下会沿着各个方向产生力的作用，如水中的压力；

3.流体子可以沿力场作用线对其它流体子产生作用；

4.在没有力场作用的情况下流体子之间是没有作用力的，如理想流体不具有粘性。实

际流体具有粘性是因为有分子力场的作用；

5.某点处流体子表现出来的作用力与其出现的概率以及流体子在该点处

的密度有关；

利用以上性质我们可以分别用统计学分析在静止和流动流体

对于静止流体：

由于各点处流体密度和分布概率相同，所以压力的大小仅与力场的作用有关。比如在地球上的一杯水，其压力的大小仅与深度有关。用我的流体子观点可以这样解释因为流体子数量巨大所以其分子力场可以忽略，而在竖直方向其重力场作用线是竖直向下的，根据性质3 可以说明其压力大小仅于深度有关。而在水平方向没有力场作用，所以在同一水平线上各点