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研究方向

計算流體

隨著新興工業的誕生,流體力學的應用擴展到微流、多相流、非牛頓流以及其他復雜流體.而隨著計算機功能的飛速發展,人們運用計算流體力學對重要科學和工程課題實行大規模計算模擬已經形成世界新興高科技研發的發展方向.計算流體力學的實際應用使得人們能對流體的物理機制取得許多以往經典方法不可能達到的認識程度.這不僅對于高效率低消耗的新科技研發有著重要的影響,同時對于更深入地了解乃至優化工程設計都有著關鍵性的意義.例如,飛機在大攻角飛行或在機動飛行的情況下,傳統的風洞試驗手段很難取得有關流體效應復雜現象的細節認識,在許多情況下這些關鍵細節是用實驗手段無法測量的,然而, 根據對流體基本物理的理解, 我們知道流體的特性往往可能由于某個細小的變化而發生質的改變, 而且風洞試驗存在著實驗周期長, 價格昂貴等缺點, 所有這些因素限制了風洞試驗手段對氣動外形設計所能起到的作用. 因此, 準確而快捷的計算流體方法能使我們對于流體力學問題的認識從“知其然”到“知其所以然”, 給設計人員提供及時準確的反饋, 從而對產品的優化和新技術的研發起著舉足輕重的作用.流體力學的理論描述通常建立在納維-斯托克思(Navier-Stokes)方程的基礎上. 作為流體
力學的基石, 它已存在了一個多世紀, 在通常尺度下, 人們對此方程的物理可靠性及準確性并不抱異議. 在各個學術研究機構, 流體力學研究也主要是圍繞納維-斯托克思方程展開的. 理論上人們一般通過求解納維-斯托克思方程及其各種簡化形式的途徑來處理復雜的流體力學問題, 現行的計算流體力學研究也主要是圍繞著納維-斯托克思方程的計算方法展開的, 然而,基于其本質上的非線性以及邊界條件處理的困難, 除少數簡單問題外, 解析和數值求解納維-斯托克思方程都是極具挑戰性的任務. 證明納維-斯托克思方程解的存在性和光滑性仍然是克雷數學研究所(Clay Mathematics Institute)懸賞征解的世紀難題之一.除了求解的困難外, 作為一種對流體物理的描述, 與描述經典力學運動的牛頓運動方程,或與描述量子力學運動的薛定諤方程等原理性方程不同, 納維-斯托克思方程是從更根本的原理性方程出發, 在合理地假定某些物理機制可以忽略后, 經過統計平均得到的. 本質上納維-斯托克思方程當然不可能描述那些被忽略了的物理機制帶來的宏觀現象, 比如流體系統中的相變、非牛頓的本構關系以及在分子運動自由程尺度上的物理現象. 當今科技的高速發展已使人們的視野擴展到比傳統流體力學更為廣泛的物理現象, 如微尺度流動和復雜流體的認識和理解. 在這些領域, 納維-斯托克思方程明顯的顯示出了它的局限性. 同時, 由于當今計算機能力的限制, 流體物理現象, 如湍流, 往往不能用直接模擬(direct numerical simulation)即精確解納維-斯托克思方程的方式實現. 因此, 人們往往也必須輔加各種物理近似模式, 其中最通常和最可行的是所謂渦粘滯系數模式(eddy-viscosity modeling)。由于種種此類原因所導致的疑難、不確定性及誤差, 計算流體力學在科技領域尤其是實際工程中的應用方面尚未能取代試驗. 盡管如此, 計算流體力學已成為當今發展最快的一門學科. 它不僅已經對科學技術創新乃至工程應用發揮著不可忽視的作用, 同時它本身也代表了世界上新興工業的發展方向。
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