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延伸拓展
产品详情:浙江大学流体力学实验器发展到现在为什么还要进行风洞试验?浙江大学流体力学实验器发展到现在为什么还要进行风洞试验?风洞试验能解决哪些理论计算解决不了的问题?浙江大学流体力学实验器发展到现在为什么还要进行风洞试验?一句话来回答:因为湍流 话说著名理论物理学家海森堡(搞量子力学那个)临去世前说,他要去问上帝两个问题:相对论和湍流,他估计上帝能回答他第一个问题。 [1] 按海森堡的意思,估计上帝也不知道湍流这个怪物怎么回事。 1. 什么是湍流 想像一个水平的管子,里面平静的流着很慢很慢的水,流动是稳定又容易预测的,这时的情况叫层流。比如打点滴,你大概可以想像出来水是怎么流动的,在每一个位置,每一个时刻,水的流动都是平静又有序的。回到那根水平的管子,我们让里面的液体流的更快一些,也容易想像,水流的特别特别快时候,流着流着就乱了。不再是均匀的往一个方向流,而是有些地方出现了大大小小的漩涡,大的漩涡又会套着小漩涡。也不再是平静的了,漩涡会自己产生又自己消失。不同的位置,不同的时间,水的流动看起来又有些相似,又完全不一样。这种时候就是发生湍流(Turbulence)了,也有人叫紊流,取紊乱的意思。按我老师的说法,湍流是没有公认的严格的定义的(从中你可以看出来问题的复杂性)。一种比较流行的说法是:湍流是随机的三维非定常有旋流动。 2. 为什么湍流很麻烦 大家应该很熟悉三体问题,湍流和三体问题很像,是个混沌的问题(不过还没有严格证明)。简单的说就是你不能总结一个什么公式,往里一带就能知道流动是什么样的。只要有湍流的存在,就没有什么解析的解了。所以想显式的求出流动的解析解是不可能的,所以理论的方法不能用了。 既然没有理论解法,那数值方法呢?行,但是不够好。为什么说行呢,因为直接做离散化,求解NS方程,其实确实可以模拟出湍流的过程。那怎么个不够好法呢,一是时间上的问题,湍流的产生、发展、消失是很快很快的,如果直接求解,时间步长上必然需要足够的精细。这个时间步长又是和湍流的强度有关系的,流速越快,越容易有湍流,越需要更短的时间步长,计算量越大。就目前来讲,想完整的模拟出湍流的细节计算量太大,没有任何一个超级计算机可以应付的来。二是空间上的问题,流动问题一个特点是局部的细节会严重的影响整个流动,举个例子,高尔夫球上的小坑相对球来讲算是很小的了,但是会严重的影响球在飞行中的阻力,有坑的球和没坑的相比,阻力系数可以差4~5倍,同样是有坑的球,即使只有0.0025厘米这么小的差异,也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。所以在空间离散上也必须要求足够精细,或者说网格必须够小够多。时间上的复杂性和空间上的复杂性,都使得数值模拟随便一个问题的计算量的大到无法接受。 所以说,现在的模拟都是采用了平均的方法,简单说就是不管湍流的细节,从总体上做一个平均的估计,从而在较长时间较大尺度下,得到一个平均的值。具体平均的方法,只能是靠实验+经验公式。*而且,即使是在这些经验公式基础上,数值模拟依然计算量很大,而且并不十分准确
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