簡述流體力學在航海與航空中的巧用

劉天翼

摘要：本文探析性研究學習流體力學的應用，從不同角度和應用領域探討流體力學的實際廣泛應用，依據一個高三學生的初步認識，分析了流體力學在祖國的航海和航空偉大事業中所做出的努力和創新，探討這一學科技術應用到祖國建設的更多領域中，為祖國的繁榮富強奉獻科技技術的完美設計。

關鍵詞：流體力學 探析性研究 領域 實驗

流體是液體和氣體的總稱。流體力學是在牛頓定律的基礎上發發展研究宏觀運動的分支科學，它不涉及流體的物質結構，其實是把流體看成是由無數連續分布的流體質點所組成而已。而流體的質點指的不是個別流體分子，而是由大量分子所組成的集全。流體力學是物理科學的重要組成部分，它主要研究流體本身以及流體和固體界壁間的相互作用和流動的規律。人類賴以生存的地球，周圍包裹著一層厚厚的空氣，水占地球表面積的70%。由此可見，空氣與水這兩種流體與我們的生活密切相關。所以流體，是與固體相對應的一種物體形態，是液體和氣體的總稱。由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構成的，它的基本特征是沒有一定的形狀并且具有流動性。比如，我們身邊的水、空氣等都是流體。流體力學是力學的一個分支。在當前，關于流體力學的相關科學研究成果已經應用到航海、航空和其它重要的高科技的技術領域與技術發展中，已經成為了不同科學知識領域的基礎性科學。作為莘莘學子中的一員，夢想將來能在大學學習相關專業，未來為祖國的這一領域貢獻技能、投身研發一線！這就要求我們必須具備較高的專業知識水平和實踐創新精神，從現在起學有所成爭取考上理想專業的大學。

一、流體力學在航海中的巧用

流體力學應用于航海領域的研究主要是液流，所以也可以把它叫做工程液體力學。流體機械的工作和原理還有性能和使用情況都是以流體力學作為理論基礎，如船舶的制造和流體力學機械工程有密不可分的聯系。下面就簡述一下流體力學在航海中船舶制造業方面的理論應用。

船，一種古老又神奇的工具，是人類最早的運輸工具之一。它連接了七大洲，把文明傳向全世界。船在水中正常的行駛條件下，受到的是向上的水的浮力和向下的重力，這兩個力構成一對相互平衡力，使船在水面上不至于沉沒。除了受到浮力和重力外，航還會受到發動機的推動力與水的阻力。這些因素綜合起來影響到航行的速度和效率。所以流體力學在航海中有著廣泛的應用。

1.船舶的外形設計。船舶在水面航行時，船體在水和空氣兩種流體介質中運動，受到水和空氣對船體的阻力。因此船舶建造采用現代化的涂料涂裝，表面平滑極大地減少了與流體的阻力。船型一般為前圓后尖，略像水滴形，沒有大的起伏和尖銳的棱角，這種形狀我們稱之為流線型。流線型的物體能把受到流體的阻力降到最小，這種結構將流體力學應用到最佳狀態，提高了船舶航行的速度。

2.船舶的動力。現代船舶業的發展已經走過了繼舟、筏之后利用風力前進的帆船時代。現代船舶利用電、熱、核能提供能源，通過安裝于船尾水線以下的螺旋的旋轉，將水推向船后，利用水的反作用力推船前進。

3.“船吸”現象。 當兩艘船靠得比較近、平行著向前航行時，因為在兩艘船中間的水比外側的水流得快，中間水對兩船內側的壓強，也就比外側對兩外側的壓強要小。于是，在外側水的壓力作用下，兩船漸漸靠近，最后相撞。現在航海上把這種現象稱為“船吸”現象。因此，為了船只能夠安全行駛，利用流體力學這一特性，各國制定了相關的“航海規則”，避免撞船事故的發生。

其實在現實生活中流體都是具有或大或小的粘滯性的，由于內摩擦的力的存在性，實際流體在出現流動時都會有能量的大小損耗，這項科學應用到不同工程領域都會對不同的介質帶來一定的影響，如我們常見的石油、天然氣、污水和飲用水等的輸送管道，必須要提供足夠的能量來克服流體摩擦力的能量消耗，以達到所要求的流量和壓強。

二、流體力學在航空中的巧用

流體力學所研究的對象不僅包括液體，還有氣體。液體和氣體在自然環境中無處不在，而在實際工程中這門科學已經遍布科研領域，涉及到國民經濟和社會發展的各個領域。隨著科學技術的進步和科學研究的深入和深化，科研的成果不斷更新和擴大。在航空技術高速發展的今天，流體力學的平面勢流理論、機翼理論、螺旋理論和附面層理論也得以高速發展。很早以前，我們的祖先就幻想像鳥一樣在天空中自由飛翔，從美國萊特兄弟制造出世界上首架飛機以后，隨著現代技術的高速發展，飛機極大的改變了人們的生活。飛機在空中飛行時受到的力主要有：重力、機翼產生的升力、發動機的推力、空氣阻力。這些因素綜合起來影響到航行的速度和效率。所以流體力學在航空中有很廣泛的應用。

1.飛機的外形設計：大多數飛機由五個主要部分組成：機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置。飛機的外形是仿照鳥類的體型設計的，一般設計成流線型，這屬于仿生技術，流線型能減小空氣阻力，便于飛行。

2.飛機機翼設計。飛機機翼的上下兩側的形狀是不一樣的，上側的要凸些，而下側的則要平些。當飛機滑行時，機翼在空氣中移動，從相對運動來看，等于是空氣沿機翼流動。由于機翼上下側的形狀是不一樣，在同樣的時間內，機翼上側的空氣比下側的空氣流過了較多的路程，即機翼上側的空氣流動得比下側的空氣快。根據流動力學的原理，機翼上側的空氣壓力要小于下側，這就使飛機產生了一個向上的浮力。當飛機滑行到一定速度時，這個浮力就達到了足以使飛機飛起來的力量。于是，飛機就上了天。

3.飛機前進的動力。飛機前進的動力一般為兩種。一種是發動機帶動螺旋槳旋轉產生的向前牽引力（螺旋槳就好像一個豎放的機翼，凸起面向前，平滑面向后。旋轉時壓力的合力向前，從而帶動飛機向前）。另一種是發動機向后噴射高速氣流，空氣產生的反作用力，變成一種強大的向前推力。導彈和火箭也是利用這個原理，使燃料燃燒膨脹，燃燒時產生的氣體高速噴出，利用了其高速氣體的反作用力來推進升空。

40年代以來因為超高速飛行技術的發展和進步，火箭技術、原子能技術、電子計算機等高精尖的科學技術都給流體力學提供了可研發的課題，使好多與之相關的新學科和知識領域出現，如電磁流體力學、化學流體力學、計算機流體力學、非牛頓力學、多相流體力學等等。這些新興的學科都具有流體力學的性質，所以流體力學正和越來越多的其它科學相聯系和結合，從而使流體力學的科學基礎性地位越來越明顯。目前正在大力研究和發展的是計算流體力學將以突破對黏流流場物理現象的模擬能力為重點突破對象，特別是對精確預測流動分離點和轉捩過程還有就是湍流流動。航空空氣動力學發展研究的最終目的是成功地實現高端先進的飛行器的研發。科研人員依據這一領域的科學研究以及大量的風洞試驗結果，進行飛行器的研究和設計，計算機技術的迅猛發展更推動了航空空氣動力學的新的研究革命，為祖國的航空航天工程技術發展提供了科學依據，也奠定了我們國家在世界上是航空航天技術領域領先大國的地位。

隨著國際、國內的科技高速發展，航海、航空技術與日俱增，人類的科技和知識總量快速增加，知識更新越來越快、越來越全面，從流體力學的知識基礎地位和應用領域來看，它具有重要的研究性和基礎性。當下我國經濟快速發展，流體力學在航海、航空中的應用也越來越廣泛。我們相信，科學技術的不斷創新，會使流體力學更好地服務于我們的生活。

參考文獻：

[1]張也影.流體力學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2]周謨仁.流體力學 泵與風機[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.

（作者單位：山東省濱州市鄒平縣第一中學高三24班）endprint