怎么快速入门流体力学
写在前面
流体力学是一个历史很悠久的学科,应用于航空、航天、流体机械等许多行业,加上国家现在大力支持流体力学相关的科研工作。因此,流体力学已经成为了一个热点。
但是.....我们在本科的时候学的那些流体力学知识真的能够满足我们在日常生活中的科研需求吗?
私认为是不够的。这是因为本科的时候我们处于一个知其然不知其所有然的程度,往往是期末考试考哪里,我们就学哪里。所以,文主将自身流体力学入门的经验进行总结,供广大知乎er进行参参考。
适用人群:需要经常使用或编写CFD软件、需要进行流动分析、需要研究流动机理的人群
下面是正文
把大象装进冰箱需要三步,但是入门流体力学只需要一步,那就是弄懂Navier-Stokes equations(N-S方程)。
首先,这需要了解流体微团是什么;其次,通过流体微团的受力分析,知道有哪几个力的存在;再其次,通过三大守恒定律,得到N-S方程或者Eluer方程;最后,再用一个简单的算例,进行计算流体力学(CFD)的编程。
以上是文主认为的最快的入门方法,入门之后,你去听别人的报告或者讲座,基本上都能明白别人在说什么。
首先,介绍一下流体微团的概念。
我们将连续的流体切成很多小块,最终我们就得到了流体微团。但是切的时候需要很谨慎,这是因为:当切的太大时,体现不出“微”的特性,导致流动细节无法体现;当切的太小时,无法体现出团的特性,导致流体微团不具有统计学特征。
因此,在分析流体微团时,需要该微团足够小,以反映出流动的细节;同时,还需要该微团足够大,以包含足够多的分子,使得统计特征不确定度较小。
在得到流体微团之后,我们就可以对流体微团进行受力分析,包含摩擦力、压力、体积力,不过文主是空气动力学出身的。因此,文主在考虑进行空气流动分析时,往往忽略体积力。之所以进行受力分析,是为了更好地推导出N-S方程。
在得到流体微团的受力之后,流体微团一定满足质量守恒、动量守恒以及能量守恒三大定律。这三大定律中,实际上可以总结为一句话:流进去的减去流出来的,就是最后留在流体微团里面的。带着这句话去理解N-S方程或者Euler方程,大家会事半功倍。
如果大家进行到这一步之后,我相信大家对流体力学已经有一些模糊的概念了,但怎么去将这些应用在科研中呢?
文主觉得最关键的一步是自己手动编写一下二维Euler方程的数值求解代码。
这个过程是入门的关键,因为只有这样,你才能知道商用CFD软件中,不同参数是做什么的,计算不收敛应该怎么办;
对于实验流体力学的同学们,这个过程也是有帮助的,你可以借助这一过程明白流动的机理是什么。比如当流场变化时,是哪个物理量最先开始改变并最终导致整个流场的改变,雷诺数、马赫数这些无量纲参数究竟是代表着什么意思。
因此,文主是强烈建议大家手动编写一下二维Euler方程的数值求解代码,这看上去复杂,实际上是流体力学入门最快的方式。
大家可以用最简单的方法去编写,比如用Jameson格式去计算一个方形区域的流动,文主就是通过这一过程最终入了流体力学的门。大家可以参考一些硕士论文或者博士论文去做这些工作。
希望这篇文章能够帮到许多对流体力学感兴趣的,想进入这一行当的童鞋。
文主的邮箱是: liusy_avic@qq.com。
有论文合作或者商业合作可以联系文主。