简述流体力学在航海与航空中的巧用

刘天翼

摘要：本文探析性研究学习流体力学的应用，从不同角度和应用领域探讨流体力学的实际广泛应用，依据一个高三学生的初步认识，分析了流体力学在祖国的航海和航空伟大事业中所做出的努力和创新，探讨这一学科技术应用到祖国建设的更多领域中，为祖国的繁荣富强奉献科技技术的完美设计。

关键词：流体力学 探析性研究 领域 实验

流体是液体和气体的总称。流体力学是在牛顿定律的基础上发发展研究宏观运动的分支科学，它不涉及流体的物质结构，其实是把流体看成是由无数连续分布的流体质点所组成而已。而流体的质点指的不是个别流体分子，而是由大量分子所组成的集全。流体力学是物理科学的重要组成部分，它主要研究流体本身以及流体和固体界壁间的相互作用和流动的规律。人类赖以生存的地球，周围包裹着一层厚厚的空气，水占地球表面积的70%。由此可见，空气与水这两种流体与我们的生活密切相关。所以流体，是与固体相对应的一种物体形态，是液体和气体的总称。由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的，它的基本特征是没有一定的形状并且具有流动性。比如，我们身边的水、空气等都是流体。流体力学是力学的一个分支。在当前，关于流体力学的相关科学研究成果已经应用到航海、航空和其它重要的高科技的技术领域与技术发展中，已经成为了不同科学知识领域的基础性科学。作为莘莘学子中的一员，梦想将来能在大学学习相关专业，未来为祖国的这一领域贡献技能、投身研发一线！这就要求我们必须具备较高的专业知识水平和实践创新精神，从现在起学有所成争取考上理想专业的大学。

一、流体力学在航海中的巧用

流体力学应用于航海领域的研究主要是液流，所以也可以把它叫做工程液体力学。流体机械的工作和原理还有性能和使用情况都是以流体力学作为理论基础，如船舶的制造和流体力学机械工程有密不可分的联系。下面就简述一下流体力学在航海中船舶制造业方面的理论应用。

船，一种古老又神奇的工具，是人类最早的运输工具之一。它连接了七大洲，把文明传向全世界。船在水中正常的行驶条件下，受到的是向上的水的浮力和向下的重力，这两个力构成一对相互平衡力，使船在水面上不至于沉沒。除了受到浮力和重力外，航还会受到发动机的推动力与水的阻力。这些因素综合起来影响到航行的速度和效率。所以流体力学在航海中有着广泛的应用。

1.船舶的外形设计。船舶在水面航行时，船体在水和空气两种流体介质中运动，受到水和空气对船体的阻力。因此船舶建造采用现代化的涂料涂装，表面平滑极大地减少了与流体的阻力。船型一般为前圆后尖，略像水滴形，没有大的起伏和尖锐的棱角，这种形状我们称之为流线型。流线型的物体能把受到流体的阻力降到最小，这种结构将流体力学应用到最佳状态，提高了船舶航行的速度。

2.船舶的动力。现代船舶业的发展已经走过了继舟、筏之后利用风力前进的帆船时代。现代船舶利用电、热、核能提供能源，通过安装于船尾水线以下的螺旋的旋转，将水推向船后，利用水的反作用力推船前进。

3.“船吸”现象。 当两艘船靠得比较近、平行着向前航行时，因为在两艘船中间的水比外侧的水流得快，中间水对两船内侧的压强，也就比外侧对两外侧的压强要小。于是，在外侧水的压力作用下，两船渐渐靠近，最后相撞。现在航海上把这种现象称为“船吸”现象。因此，为了船只能够安全行驶，利用流体力学这一特性，各国制定了相关的“航海规则”，避免撞船事故的发生。

其实在现实生活中流体都是具有或大或小的粘滞性的，由于内摩擦的力的存在性，实际流体在出现流动时都会有能量的大小损耗，这项科学应用到不同工程领域都会对不同的介质带来一定的影响，如我们常见的石油、天然气、污水和饮用水等的输送管道，必须要提供足够的能量来克服流体摩擦力的能量消耗，以达到所要求的流量和压强。

二、流体力学在航空中的巧用

流体力学所研究的对象不仅包括液体，还有气体。液体和气体在自然环境中无处不在，而在实际工程中这门科学已经遍布科研领域，涉及到国民经济和社会发展的各个领域。随着科学技术的进步和科学研究的深入和深化，科研的成果不断更新和扩大。在航空技术高速发展的今天，流体力学的平面势流理论、机翼理论、螺旋理论和附面层理论也得以高速发展。很早以前，我们的祖先就幻想像鸟一样在天空中自由飞翔，从美国莱特兄弟制造出世界上首架飞机以后，随着现代技术的高速发展，飞机极大的改变了人们的生活。飞机在空中飞行时受到的力主要有：重力、机翼产生的升力、发动机的推力、空气阻力。这些因素综合起来影响到航行的速度和效率。所以流体力学在航空中有很广泛的应用。

1.飞机的外形设计：大多数飞机由五个主要部分组成：机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置。飞机的外形是仿照鸟类的体型设计的，一般设计成流线型，这属于仿生技术，流线型能减小空气阻力，便于飞行。

2.飞机机翼设计。飞机机翼的上下两侧的形状是不一样的，上侧的要凸些，而下侧的则要平些。当飞机滑行时，机翼在空气中移动，从相对运动来看，等于是空气沿机翼流动。由于机翼上下侧的形状是不一样，在同样的时间内，机翼上侧的空气比下侧的空气流过了较多的路程，即机翼上侧的空气流动得比下侧的空气快。根据流动力学的原理，机翼上侧的空气压力要小于下侧，这就使飞机产生了一个向上的浮力。当飞机滑行到一定速度时，这个浮力就达到了足以使飞机飞起来的力量。于是，飞机就上了天。

3.飞机前进的动力。飞机前进的动力一般为两种。一种是发动机带动螺旋桨旋转产生的向前牵引力（螺旋桨就好像一个竖放的机翼，凸起面向前，平滑面向后。旋转时压力的合力向前，从而带动飞机向前）。另一种是发动机向后喷射高速气流，空气产生的反作用力，变成一种强大的向前推力。导弹和火箭也是利用这个原理，使燃料燃烧膨胀，燃烧时产生的气体高速喷出，利用了其高速气体的反作用力来推进升空。

40年代以来因为超高速飞行技术的发展和进步，火箭技术、原子能技术、电子计算机等高精尖的科学技术都给流体力学提供了可研发的课题，使好多与之相关的新学科和知识领域出现，如电磁流体力学、化学流体力学、计算机流体力学、非牛顿力学、多相流体力学等等。这些新兴的学科都具有流体力学的性质，所以流体力学正和越来越多的其它科学相联系和结合，从而使流体力学的科学基础性地位越来越明显。目前正在大力研究和发展的是计算流体力学将以突破对黏流流场物理现象的模拟能力为重点突破对象，特别是对精确预测流动分离点和转捩过程还有就是湍流流动。航空空气动力学发展研究的最终目的是成功地实现高端先进的飞行器的研发。科研人员依据这一领域的科学研究以及大量的风洞试验结果，进行飞行器的研究和设计，计算机技术的迅猛发展更推动了航空空气动力学的新的研究革命，为祖国的航空航天工程技术发展提供了科学依据，也奠定了我们国家在世界上是航空航天技术领域领先大国的地位。

随着国际、国内的科技高速发展，航海、航空技术与日俱增，人类的科技和知识总量快速增加，知识更新越来越快、越来越全面，从流体力学的知识基础地位和应用领域来看，它具有重要的研究性和基础性。当下我国经济快速发展，流体力学在航海、航空中的应用也越来越广泛。我们相信，科学技术的不断创新，会使流体力学更好地服务于我们的生活。

参考文献：

[1]张也影.流体力学[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2]周谟仁.流体力学 泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.

（作者单位：山东省滨州市邹平县第一中学高三24班）endprint