玻尔兹曼眼中的流体力学

作者: 卢比与钢蛋

来源: LBM与流体力学

发布日期: 2021-11-04 13:49:38

本文通过一个经典的段子引出流体力学的研究内容和重要性,详细介绍了流体力学的分类、研究方法以及与实际问题的联系,展示了流体力学在科学研究和工程应用中的广泛应用。

多年前,网上流传着一个经典的段子:“小明,听说你大学的专业是流体力学?”“是的,领导。”“那好,去帮我倒杯水。”“领导,请你尊重这门专业,流体力学是……”“请你谈谈非等熵的稳态可压磁流体力学方程在持续等离子体约束受控热核聚变中的应用。”“领导,饮水机在哪?”

作为力学的重要分支,流体力学主要研究在各种力的作用下,流体的状态、运动规律以及流体与外界的相互作用。地球人对流体都不陌生,我们呼吸的空气、喝的水,都是流体。流体力学研究中,流体被分为理想流体和实际流体。理想流体是没有粘性的流体,当然这是一种假想的流体,实际中并不存在。但研究无粘流体的运动,可以使问题大大简化,容易得到流体运动的基本规律。实际流体则有粘性,统称为粘性流体或实际流体。

流体的粘性主要与牛顿内摩擦定律有关,大多数气体、水和许多润滑油都能很好的遵循牛顿内摩擦定律,即当压力和温度一定时,流体的内摩擦应力与速度梯度成正比。这种满足牛顿内摩擦定率的流体称为牛顿流体。而有些流体,比如生物流体、高分子聚合物的浓溶液等,不能遵循牛顿内摩擦流体,称为非牛顿流体。

在流体力学研究中,还涉及到连续介质和非连续介质的概念。基于努森数的定义可以知道,努森数越大,意味着物理尺度和分子平均自由程越接近,分子的离散效应越强,研究中越不能忽略分子之间复杂的作用力;反之,努森数很小,意味着物理尺度远远大于分子自由程,不再关注分子团内部的相互作用,转而研究其宏观状态的密度、速度、压力等参量。

流体力学的两种主要描述方式是拉格朗日法和欧拉法。拉格朗日法是研究流场内个别流体质点在不同时刻的位置、流速、压力等参数的变化,各质点运动状况的总和就构成了整个流体的状态。欧拉法是研究整个流场内不同时刻,不同位置上的流体质点的参数,它把注意力集中在选定的空间点上而不是选定的流体质点上。

流体的基本方程本质上是质量、动量和能量守恒方程,N-S方程只是在宏观上基于连续介质假定,利用偏微分方程描述粘性流体流动的运动方程。而玻尔兹曼方程则用统计的方法描述空间内流体粒子的速度分布,其描述方式介于宏观和微观之间,被称之为介观。

无论是N-S方程还是玻尔兹曼方程,都是描述流体运动的解析方法。面对实际问题复杂的边界和初始条件,最终还是要回归到离散求解的数值方法。LBM方法在传统CFD的研究领域一样拥有独特的优势,比如汽车和飞机的空气动力学与气动噪声问题。

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