流體力學在土木工程中的應用

流體力學在土木工程中的應用摘要：流體力學是研究流體的機械運動規(guī)律及其應用的科學，是力學的分支學科。隨著社會的發(fā)展，流體力學被廣泛的應用在各種領(lǐng)域。尤其是在土木工程領(lǐng)域有著非常重要的地位。例如，在建筑工程和橋梁工程中，研究解決風對高聳建筑物的荷載作用和風振問題，要以流體力學為理論基礎(chǔ)；進行基坑排水、地基抗?jié)B穩(wěn)定處理、橋渡設計都有賴于水力分析和計算……可以說，流體力學已成為土木工程各領(lǐng)域共同的專業(yè)理論基礎(chǔ)。流體力學不僅解決單項土木工程的水和氣問題，更能幫助工程技術(shù)人員進一步認識土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系。關(guān)鍵字：流體力學土木工程流體力學是一門研究流體機械運動規(guī)律及其應用的科學，是力學的分支學科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態(tài)之間的相互作用的力學分支。流體力學是力學的一個重要分支，在生活、環(huán)保、科學技術(shù)及工程中具有重要的應用價值。與土木工程更是有密切的聯(lián)系。流體力學的發(fā)展簡史流體力學出現(xiàn)流體力學是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實踐中逐步發(fā)展起來的。古時中國有大禹治水疏通江河的傳說；秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用；大約與此同時，古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等等。對流體力學學科的形成作出第一個貢獻的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎(chǔ)。此后千余年間，流體力學沒有重大發(fā)展。直到15世紀，意大利達·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題；17世紀，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是隨著經(jīng)典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質(zhì)量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。流體力學逐漸發(fā)展17世紀，力學奠基人牛頓研究了在流體中運動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關(guān)系。他針對粘性流體運動時的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是，牛頓還沒有建立起流體動力學的理論基礎(chǔ)，他提出的許多力學模型和結(jié)論同實際情形還有較大的差別。之后，法國皮托發(fā)明了測量流速的皮托管；達朗貝爾對運河中船只的阻力進行了許多實驗工作，證實了阻力同物體運動速度之間的平方關(guān)系；瑞士的歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動；伯努利從經(jīng)典力學的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗并加以分析，得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程。歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標志，從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。從18世紀起，位勢流理論有了很大進展，在水波、潮汐、渦旋運動、聲學等方面都闡明了很多規(guī)律。法國拉格朗日對于無旋運動，德國赫姆霍茲對于渦旋運動作了不少研究……在上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體。這種理論當然闡明不了流體中粘性的效應。流體力學的理論基礎(chǔ)19世紀，工程師們?yōu)榱私鉀Q許多工程問題，尤其是要解決帶有粘性影響的問題。于是他們部分地運用流體力學，部分地采用歸納實驗結(jié)果的半經(jīng)驗公式進行研究，這就形成了水力學，至今它仍與流體力學并行地發(fā)展。1822年，納維建立了粘性流體的基本運動方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基礎(chǔ)導出了這個方程，并將其所涉及的宏觀力學基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，它是流體動力學的理論基礎(chǔ)。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時的特例。普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學論證和實驗測量等各個角度，海堤防和水壩等，都會對大氣和水環(huán)境造成不利影響，導致生態(tài)環(huán)境惡化，甚至加重自然災害，這方面國內(nèi)外已有慘痛的教訓。只有處理好土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系，作到保護環(huán)境，減輕災害，才能實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。三、總結(jié)從阿基米德到現(xiàn)在的兩千多年，特別是20世紀以來，流體力學已經(jīng)發(fā)展成為基礎(chǔ)科學體系的一部分，同時又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、天文學、地學、生物學、醫(yī)學等方面得到廣泛應用，尤其是與土木工程有著十分密切的聯(lián)系。今后，人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進行流體力學應用性研究，另一方面將更深入地開展基礎(chǔ)研究以探求流體的復雜流動規(guī)律和機理。后一方面主要包括：通過湍流的理論和實驗研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計算模式；多相流動；流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用；邊界層流動和分離；生物地學和環(huán)