流体力学工程应用浅析

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流体力学工程应用浅析

摘要：流体力学是力学的一个分支,是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起,它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。流体力学在在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。如：供热通风和燃气工程中的应用，给水排水工程中的应用，建筑工程的应用，土建工程中的应用，市政工程中的应用，城市防洪工程中的应用等。都是以流体作为工作介质，通过流体的各种物理作用，对流体的流动有效的加以组织实现的,学好流体力学尤为重要。

关键词：流体力学  工程  建设

一.流体力学的应用现状
　　流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。流体力学是力学的一个重要分支，它是一门研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。
　　在工程中，流体力学被应用于各个领域。在供热通风和燃气工程中：热的供应，空气的调节，燃气的输配，排毒排湿，除尘降温等等，都是以流体作为介质，通过流体的各种物理作用，对流体的流动有效的加以组织实现的。
　　
流体力学的应用领域及不足

2.1流体力学在水利方面的应用与不足
    在水力工程中用于水供给、废水排放和水质改善的工程。分为给水工程和排水工程。例如在长江三峡工程中的方案之一是采用坝体深孔、底孔重叠布置双层泄洪方式。设计中要求
深孔底孔在各种运行工况条件下孔内均为无压流态。在原设计方案中，坝体下游最高尾水位为83.20m，深孔挑坎高程为88.50m，底孔出口顶高程为“.om，所以，深孔满足无压流态泄洪设计要求。对于坝体泄洪底孔，由模型实验观察到，当下游尾水位高于底孔的上临界水位时，底孔出口部位会出现封顶，反弧段及直线段上将有水跃现象发生;当下游尾 水位介于上、下临界水位之间时，孔内流态不确定，或为明流、或为满流、局部满流，这 将取决于水流的初始状态;当下游尾水位低于底孔下临界水位时，底孔内保证出现明流泄洪状态。由此可知，为了确定底孔内水流流态，必须首先确定底孔上、下临界水位。根据底孔模型实验现象，若建立了底孔反弧边界水跃方程、底孔部分直线部分反弧边界水跃方程、就能够得到底孔上临界水深的理论解。在南水北调工程采用堰流公式对南水北调中线总干渠中的大量桥梁对渠首水位和水头损失的影响进行模拟计算和分析。计算结果表明,桥梁对渠首水位的影响不能用每座桥梁的水头损失进行简单叠加;在采用阻水能力较小的半圆头尾型桥墩时,设计和加大流量下由764座桥梁引起的渠首水位增加分别仅为0.194 m和0.238 m。通过对所有桥梁水头损失的计算比较发现,不同的桥墩形状造成的总水头损失相差较大,选用流线型、水流易于通过的桥墩形状可以节约相当部分的水头。南水北调中线总干渠全长1431.75km，其中，陶岔渠首至北拒马河(冀京界)渠段长1196.167knl，采用明渠输水;北京、天津渠段采用管涵输水，分别长80.052km和5.531km。水头是指建筑物进出口水位差。在明渠段，水头对建筑物的规模和工程量影响十分显著。进行总干渠水头优化分配对于节省投资，合理的进行总干渠工程布置有着重要的意义。水头优化分配主要针对明渠段进行。中线总干渠明渠段长1196.167km，陶岔渠首设计水位147.38m，北拒马河总干渠设计水位60.3Om，明渠段总水头87.08m。水头主要用于明渠渠道和部分建筑物。明渠渠道长1103.477km，需占用水头的建筑物共计151座，累计长92.69km。一般而言，水头越大，渠道和建筑物工程量越小。但是由于中线总干渠渠道线路长，建筑物数量大、类型多，其水头分配方案必须系统地考虑。对于渠道来说，不同的地形、不同的断面型式，对水头的要求不同。对于建筑物来说，不同的规模、长度以及不同的型式，对水头的敏感程度也不同。水头优化分配的目的就是如何将给定的水头优化分配到明渠和建筑物上，使得总干渠总投资最省。2总干渠水头分配原则水头分配的原则是，以陶岔渠首和北拒马河总干渠设计水位为控制，将总水头在各渠段的明渠和建筑物上分配。考虑的主要因素包括总干渠沿线地面高程、建筑物型式、建筑物长度以及对水头增减的敏感性等，目标是总干渠总投资最省。

2.2流体力学在建筑领域的应用与不足
　　在建筑工程和土建工程中：如基坑排水、路基排水、地下水渗透、地基坑渗稳定处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等。另外，现在建筑越来越趋向于高层，高层节约了土地成本，提供了更多的使用空间，但也增加了设计施工问题。因为随着高度的增加，由于地表及其附近物体对气体流动的阻碍减少，气体流动速度很大，除此之外，高层聚集处由于高层的层高和体积问题，这会对气体的流动产生很大影响，随即会对建筑物的稳定性产生影响，对建筑物的构造和建筑材料考可靠性提出更高的要求。对建筑的影响是使建筑产生侧向变形，风大时产生振动。主要由基本风压，风压高度变化系数，风荷载体形系数，风振系数。这些系数和所在地的风的大小，建筑高度，建筑的外形，和地区粗糙度有关。靠近地面、受地面影响非常明显的大气底部层面称为大气边界层。大气边界层的厚度随气象条件、地形、地面粗糙的不同儿变化，厚度，一般在1000-2000米左右。我们的建筑物都是建筑在大气边界层内的，受到近地面风的影响非常显著。超高层建筑逐渐呈现出轻质量、高柔度和低阻尼特性致使结构的风致动力响应明显增加,结构对风敏感性进一步提高,导致结构风荷载取值和风致动力响应估计与控制成为当今结构工程设计所面临的主要问题之一。超高层建筑风速、风压场及风致动力响应实测的目的:是获取结构在强风(台风)作用下外表面静态和动态压力的分布特征和横向的湍流特性,进一步为在湍流风作用下结构横向振动的理论研究、结构抗风设计、幕墙设计、风致振动控制设计提供实测数据。国外针对高层建筑风压分布特性和风致动力响应进行了大量的全尺度测量研究。日本在上世纪70-80年代针对高层建筑的表面风压进行了16个项目的实测研究。实测项目包括平均风压系数、根方差风压系数、脉动风压的概率密度分布、脉动风压的阵风或峰值系数、功率谱密度和互谱密度。而国内针对超高层建筑的风压实测及风致动力响应实测始于1973年广州宾馆(27层)上进行的实测。进入90年代的实测研究主要集中在超高层建筑强风(台风)作用下的风速及动态响应实测。在过去的四十多年里,国内外学者广泛地开展了土木工程领域的风场实测研究工作,并取得了大量的研究成果。风场全尺度测量实施的困难和高昂的测试费用大大地限制了大型工程结构尤其是超高层建筑风场实测的研究,特别作为强风(台风)效应之一的超高层建筑墙面风压的现场实测研究更是缺乏。因此,本文对一超高层建筑进行了强风作用下风速、风压场的现场同步实测,基于实测数据研究了强风作用下超高层建筑风场特性及表面风压的分布特征。
　　
2.3流体力学在桥梁方面的应用与不足
　　在桥梁建设方面近几十年来，随着交通事业的发展，在许多河流上都增建了不少桥梁，其实在城市附近，桥梁的数目还有大增的趋势。桥梁一般都没有多少桥墩，有的大中型桥梁桥墩数目多达几十个，有些河段桥墩占据了河道宽度的1/10~1/15，如此数量众多的桥墩位于河流的主河道内势必减少了河道的有效过流面积。如安徽淮河蚌段在几十公里的河段就建有6~7座桥梁，在几年得防汛期，桥墩对行洪的营销已明显显露出来，尤其是在桥梁密集的河段，桥梁对泄洪的影响已经非常明显，同样，水对桥墩的作用力也是与之剧增。如此情况之下，大跨度桥梁略令风骚。大跨度桥梁跨度较大，有的可以横跨河道，基于此可以减少流水对桥墩的冲刷和作用力，而且考虑到天然流水涨落的高度，适当增大桥梁的跨度及高度是解决流水阻力以及其他次生问题的有效方法。而大跨度桥梁也有自身不可避免的弱点与难题，离开了水并不等于安全，风荷载便是其中最恼人的问题。由于外界实测要求较高，而且工作量极大，对数据的处理及分析不便，所以只能采取实验室模拟，再者主要是因为实测投入较大，而且实测只是针对某个桥梁有确切的指导意义，对大众桥梁指导意义不大。所以实验室研究还是比较理想的方法。
　　
2.4流体力学在汽车领域的应用与不足  
　　在我们身边来来往往飞驰的汽车，更是与流体力学的巧妙结合。汽车发明于19 世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数（CD）很大，约为0.8。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。20 世纪30 年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。20 世纪50－60 年代改进为船型，阻力系数为0.45。80 年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3，以后进一步进为楔型，阻力系数为0.2。90 年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。可以说汽车的发展历程就是代表了流体力学不断完善的过程。以卡车为例，影响和提升汽车的动力特性的装置主要的是它的导流罩。研究表明，在厢式货车上安装导流罩，可以大幅度的降低气动阻力、节省燃料消耗。安装导流罩使得气动阻力系数曲线上的临界雷诺数增大,设置薄壁式的导流罩底边和驾驶室顶面之间的间隙，可以增强导流罩的减阻效果。在厢式货车尾部安装涡流稳定器，可以降低尾涡区内气流能量的消耗，使静压回升，压差阻力减小。前上部导流罩装在驾驶室顶上，能将迎面气流导向车顶和侧围，消除或向高出驾驶室顶部以及驾驶室与货箱之间空间的影响。他有三种形式：板罩式，立体式和涡流凹板式，三种形式分别可使气动阻力降低20%~30%，25%~35%，15%~20%，第一种已被大量采用，第二种用得比较广，第三种使用的有限。前下部导流罩和前侧阻翼板，俩者均装在保险杠上，下部导流罩使进入车下的导流不与车下部分突出的构建相互作用，从而可使汽车的气动阻力降低10%~15%。车身前侧导流罩和前侧翼板，这俩种装置都在车身前部分的流线形，可以改善车身部分的流线形，使汽车的气动阻力分别降低10%~15%和5%~10%。车身前端面和锥形分流器及驾驶室与车身之间的隔板，这种装置部分或全部地挡住驾驶室与货厢只见的空隙，以消除侧风的影响，前者使气动阻力降低5%~10%用得相当广；后者使气动阻力降低10%~15%但用得相当少。导流罩对卡车的气动特性有很大的影响。卡车要采用辅助措施使其有平滑的过渡面，是其表面外形不易产生涡流。最重要的是导流罩的处理，应由到气流平顺的流过顶盖。厢式货车安装导流罩可使汽车表面的流谱发生重要变化，流谱的改变可大幅度的减小气动阻力，对减阻节能意义重大。
　　
三.总结
    随着科技的发展,社会的进步流体力学在工业和生活中的应用会越来越广泛。流体的很多性质尚待发现和应用，作为一名学生，将来在实际工作中对流体力学的应用还有很多，我们还需在实际工程中进一步学习融会贯通，并关注着流体力学的发展。

参考文献
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[2]申建红. 强风作用下超高层建筑风场特性的实测研究. 2010
[3]李会知. 高层建筑风响应及等效静态风荷载的研究.2003
[4]田景环. 三峡坝体明流泄洪底孔上临界水深值的研究. 1996
[5]李建强. 流体力学在工程建设中的应用. 2001



学院:石油化工   专业:化工过程机械    姓名：范宜霖    学号：122080706005