目前国内工程流体力学研究的一些课题

唐山工程技术学院学报JO U R N A L O F T A N G S H A NIN S T IT U T E

9 9 1 0年

第

4

期

O F T E C H N O LO G Y

施4

。

1990

目前国内工程流体力学研究的一些课题李文

辉

(基础部 )

摘

要

:

本文阐述了目前国内工程流体力学学科在水资源

、

能源

、

建

筑结构:

、

风机与喷射技术,

、

车船运输两相流

、

环境保护。

、

体育运动

等方面的研究情况关健词流体力学;

并提出了一些研完课题能源;、

水资源、

;

工程流体力学是与水利工程

土木工程

机械工程,

、

环境工程

、

能源和交通运输工

程等相互交叉渗透而形或的一门独立的分支学科物。‘

它是力学与工程技术相结合的产,

工程流体力学涉及内容非常厂泛近年来随着国民经济建设事业的发展,

。

工程流体

力学在以下若干领域越来越显示出它的重要地位

。

水资源的开发利用与水泵的技术改造方面随着现代化事业的发展,

水资源的缺乏,

,

已日益严重地影响着我国工农业经济的发。、、

展和生活条件的改善

,

尤其在我国北方许多工业城镇已发出了严重危急的信号

在农村占主要比重的是农田灌溉用水

灌溉方式的改善,,

灌溉工程的合理布置,

防

止上游水土流失而造成下游与水库严重淤积决的课题。

以提高水库库容与调节能力等都是巫待解

仅北京市农业用水占总用水量的 7 0%以上,

减少明渠渗漏与蒸发损失“,

改造

农田喷滴灌溉省1。

如果实现这一目标

,

北京市每年可以节省用水 1 5一 2 0亿米。

相当于整,

个北京市五年的工业与生活用水总量17 5

河北省近年来推 )农田塑料管道输水一

每年可节统计,

亿米

“,

相当于一个大型水库。

,

这不仅省工省时,

,

而且省地

,

19 8 7年

河北

省

己节省耕地 1 3。

7万亩 9

。

在城镇占主要比重的是工业用水

提高工业用水的重复率是确保工业稳步发展的重。

要课题

目前北京已达到 4 0%

,

0%左右但全国仅为2,

南水北调在我国是一项具有长远意义的根本性开发水资源的规划

,

规划在长江中上。

游和下游地段开凿两条运河引水入华北大平原以根本解决华北地区农田灌溉的缺水问

题

。

4亿美元开凿运河把密苏里河和密西

西比河河水引向大平原美国耗资1 3,。

苏联则耗

资41 6亿美元开凿西伯利亚运河引水入中亚西亚平原水泵的性能与材质改造 0多个系列生产的水泵有86 0年代,,

对提高效率个品种,

,

节约用电具有很大意义、

,

至8 0年代初我国所,

120。多

,

但是相当于国际上五十年代水平的占 4 0%北京、

的占5 9%

,

一

七J年代的占 1%近年来国内沈阳一

上海几家大型水泵厂进行

目前国内工程流体力学研究的一些课题

15。

工艺改革后能提高效率

7

~ 1 0%

,

这个数字还远远落后于国际先进水平,,

另外新工艺新,,

技术的推广应用也是一项极为重要的壮务

许多厂矿企业长期习惯于陈旧的管理方法,

造成落后与浪费

,

例如全国统配煤矿

现有3 0 0 0台旧式老型号水泵

如果全部更新

则

每年即可节约3亿度电!

能耗不及世界的 1邝_

源6

利。。

用

方,

面,

能源是关系到国民经济发展的战略问题,

我国能源开发利用很不充分,

人均能源消,

仅为美国的,

%左右

因能源不足,,

约有 3 0%的工业生产能力得不而且燃烧效率很低,

到充分发挥。

。

我国能源结构中以煤为主体开发能源和节能,

约占总能源的 7 0%。

全

用约有 2 0多万台工业锅炉极大所以,

平均热效率不过 5%,

供热系统热能利用率仅达 3 0%,

浪费

就成为一项重要的课题一

6亿千瓦其中风能密度大我国是风力资源比较丰富的国家全国风能年总储最约为 1于2 0 0瓦/平方米的地区有内蒙_

、

甘肃北部

、

东南沿海一带。、

,

开发利用风能

,

对解决边远、

地区和沿海岛屿的能源问题在我国风能开发研究响应气动弹性稳定性研究等,_

,

有着很重要的意义

,

包括风力机叶型研究,

风轮气动设计和性能研究、

结构动力

、

随机荷载和疲劳寿命研究,

部件和整机的风洞和现场测试。

这些课题对于提高风力机效率我国是世界 L海洋大国之一4

保证运行的安全可靠均起着重要的作用,

海域辽阔

海岸线长,

,

各种形式的海洋能总蕴藏量约即将建成的福建平谭潮汐电站。

有

一

5

亿千瓦

。

1 958,

年我 l习建成江厦潮汐实验电站。

,

装机容量为1 2 8 0千瓦置要适应低水头、

到目前全国已有 2 0多

个波浪发电站,

1世纪初到2

,

在苏

、

英

、

加

等因将建造万兆级潮汐电站或波浪电站大流最的水力特性,。

潮汐电站发电涉及工程流体力学的问题是、

,

装使

并要求有双向作用

排水与提水蓄能的功效

。

波浪发电近年常用之方式是

以空气宝或透平等简单结构

,

籍助于气流的中介作用,

,

缓慢的波浪运动转换增速另外吨,,

我国劣质煤的储斌极为丰富,

,

煤歼石年产最达 6 0 0 0万吨。

。万洗选歼石达 2 5。,

我国六十年就开展流化床燃烧技术的研究,

拥有2 0 0 0多台流化炉,

但流化炉的热效。

率低

压力损失大,

其关键问问题是,

,

如何达到理想的吹气速度

使固体煤粒产生液体

状沸腾

形成稳定充分的燃烧

这就是流体力学中较复杂的多和流问题

建筑物和构造物的风效应近年来风速脉动、

,

在我国许多城市、

,

:

佰层建筑大量涌现。

,

高度逐渐超过百米以上:

,

所以空气、

动力学成为现代高层建筑设计中必须考虑的问题风致振动,

诸如

建筑物形体系数。、

、

表而风压

建筑物相邻干扰

,

局部风环境效应等课题、

最近

,

北京大学与建筑研究单位对广州宾馆进行了一系列风洞模型试验,

白云宾馆

珠岭大厦,

、

探圳国际贸易

中心等高层建筑

,

测量了物体表面压力分布和建筑群休之给出不同风力条件

问的干扰

。

在低速风洞中

进行体育场和建筑群风环境的模拟实验

6 1

‘

唐山工程技术学院学报场内及建筑物周围风速及风向分布特性,,。

19 9。年,

第

4

期

下

,

北京空气动力研究所对将在香港建造 4 8 2,

米高的木鱼峰上的高 3 0米

重25 0吨的青铜大佛、

进行了风荷载模型试验。

,

测量了定态。

和功态压力及总休气动力系数工业塔架设计中的风载过十七起输电塔倒塌事故,

为结构设计和强度计算提供了原始荷载数据1 9 7 4年至1 9,

风振问题是非常重要的达9 0 0 0万度。

3年 8日

,

在我国就发生,

停电损失。

)播电视塔‘,

港

起重机塔架也发生

许多次受风损坏倒毁的重大损失方法,

通过风洞试验和理论分析对各类构架式和立柱式塔,

在风作用下的受力情况和尾迹流动特性进行研究供工程设计

时使用。。’.

可以给出估算塔架静载荷和动载荷的。

大跨度桥梁抗风设计也是 J泛受到重视的课题

桥更显重要论分析之外州珠江四桥

特别是对于柔性较大的吊桥和斜张学和设单桥梁风方同济大桥梁计位在振而的研究进行了大量〔作除了理_,

,

还在风洞中对柳港桥

、

辽宁大洋和桥,、

、

重庆嘉陵江桥、

、 _

.海黄浦江桥 J“: I、

,

天津永河桥等进行模型试验。

司行专家的重视所得成果引起国外1z

。

其主要

课题是

:

桥梁抗风稳定性截而形状的选择

毛动力系数的测定

节段和全桥空气弹性稳

定性和动力响应分析

风机与喷射技术方面据统计个省、

,

卜 J前个闰有 2 0 0 0多家风机生产的工厂。。

,

生产 8 0个系列5 0个品种,

,

分布 2 6-

市,

、

自治区

而全国工业风机使用总量达 3 0万台,一

年耗电认占全囚发电总址的;,,

十分之一之多仅46%率,

目前

工矿企业所用风机大部分是效率很低的产:、俨抽样调查平均效率。

最低的仅 1 8%

可见。。

,

研制新的风机或对现有风机的技术改选,

提高其使用效,

经济效益是非常可观的,

作一个粗略的估算此外,

如果将现有的风机效率提高 5一 1 0%,,

则全国每年可节电近 3 0亿度叶轮内部流道的改进设计

工业风机普遍存在噪声大的弊病以达到环保的要求。。

只有通过对风机‘

才能大幅度降低噪声、

。

喷射技术是航空航天领域广泛应用的较成熟的技术

一般流体机械上也厂泛应用,

,

如射流机床

、

吹氧炼钢、

、

喷流纺织、

火焰切割等离喷涂技术等,、

高压水切割是 7 0年代发展起来的一项新技术可用来切割大理石

以高压水的工质

加入不同的磨料、

,

复合材料,

铝板日、

钢板等

。

不但节能,

、

无粉尘

污染小。

,

经济性最近。

-

好产

,

而且生产效率高

所以美

、

苏等国都投入较大力量进行研究并应用于工业生’工作 I l[所已开展这方 i可以在。

。

我国力学研究所和航空部6 2

5,

积累了不少经验压下切割Z m m。

,

我

国己建成一套高压水射流切割装置

10

’/ 1 0g’、

c

二“水

厚的铝板用高_

压水射流代替医学外科手术刀的实验也已取得

」明显

的进展、

锚

喷技术在我国也有较广泛的应用喷射技术,

地下。

隧道

采矿等工程都应用锚杆混凝 L

节省了大量支护材料,

,

缩短了工期

但是

,

如何减少回弹率仍是一个重要课,

题统

。

喷射技术,

在工业窑炉及烟囱排烟方面也有着极为重要地位,

采用 l吹射诱导排烟系

可以综合利用能源。

消除环境污染

,

在动力

、

冶金

、

石化

、

制冷等方面都能发挥其

作用

J前国内工程流体力学研究的一些课题 t I

车船和输送方面车船减阻是降低能源消耗和运营成本的一条途径1 200万。

据统计

,

我国现有汽车用油达,

吨

,

0%以上占全国汽汕销售总量的 8.

。

汽车空气阻力系数,

己由4 0年代的 O 8降。

到日前的 0

45,

由大量试验结果表明,,

:

0~ 6 0%汽车总阻力中外形阻力占 5。

,

所以外形设,,

计是减小阻力的主要方面

尤其是头部形状或外廓几个拐角处据沽算。

局部几何形状的变化.

常能消除气流分离速6 0公里,

使空气阻力较大降低0

:

汽车阻力系数降低 0万吨,

2

按平均车

0每天行车2,

公里计算,

,

则全、

叫每年可节油 1 0

预计,

,

20 0

年

,

我国汽

车拥有量为 6 0万辆2

则节油数最更为可观了l: I

高速列车近 1 0年发展很快 0公里/小时列车,。

英

、

法

、

怠等国在 8 0年代初,

已研制出速度超过

,

最近又研制出速度达2 5 0公里/小时列车,

0公里/小当列车速度达 3 5

时日寸空气阻力将占总阻力的 9 0%以上阻可见,,

其主要部位是底架此外,,

,

车轮

、

车体侧面和顶部摩,

列车减阻研究具有重要作用。

。

列车抗侧风稳定性研究亦为重要

新疆可以

境内

近2 0多起大风翻车事故 0年间发生过 13

利用低速风洞进行列车抗侧风试验,

,

为抗风措施提供依据学密切相关.

水运部门拥有船舶。

万余艘

,

新船型设计,。

:

荡效推进装置研制船舶减阻均与流体力,

风帆助航近年在我国有较大发展,

已建造6 0吨一 3 0 0吨风帆船

l习前正研

制 5 0。。吨风帆船

可节油2 0% 0一3。、

美

、

法

、

日等r 1研制翼型帆’。

,

多翼帆,

、

转拐帆

,

涡。多

轮帆等型式风帆船可节油 5 0%竹道输送对于发展能源万公里运输管道。

缓解铁路货运紧张有巨大意义,

目前

世界上

已有2 0。

我国己建成原油管道 6 6 0 0公里,。

成品油管道 4 5 0 0公里,

9 8 1 2年国务院。

召开了煤气管道输送论证会

口前唐山煤研分院正着手研究晋煤外运的管道输送系统

其主要课题是常温和加温输送耐磨离心泵的设计。

沿程压力损失Kro

,

合理浓度

沉积问题和减阻问题,

,

高效。

0年代初 6,

,

m

o r

从仿生学角度提出的柔顺壁减阻设想

目前被

用来设计竹道内壁为波纹状

以保证被输送颗粒状物体处于悬浮状态和减少粘性阻力、

大气随着工业生产的发展取。

水污染和环境保护方面,

,

特别是乡镇企业的大量涌现,

工业排放大 2砰下境污染日益严。

协年全国约有上千万吨烟尘及二氧化硫等有害气体排到大气中,

由实测知,

:

一座年

产万吨水泥的窑炉物排放高度料起尘设计、、

每年向周围排放粉尘超过 3 0吨,。

日前全国约有小水泥

厂6000

多个

,

是一个很大的污染源、

所以必须加以整治近年来我国利用大型低速风洞进行污染;排放速度大气湍流和稳定条件复杂地形等环境因素影响等研究对堆,,,,

物料输送扬尘规律及消除污染方法进行了研讨“,

这为新建厂址选择。

、

大型烟囱“,

环境质量评估及污渠治理提供了重要依据和具体途径。

。。亿米我国地下水资源约有2 8。

;占世界第六位但每年人均用水量为 2 6 0 0米。

却

为世界第 8位河等,

随着工业发展4一

,

水污染日趋严重,

我国每年污水排放量约为 3 4、

,。亿吨

其中工业废水占3/

。

据有关部门统计。

京杭大运河

天津海河:

、

_

L海苏州河、

、

山西汾、

污染情况都}分严乖

与工程流体力学有关的

水力学

、

分层流

渗流

多相流

唐山工程技术学院学报等理论工,,

199 0年。

第

4

期

在污染扩散分析

、

污染评估和防污措施等方面间题都巫待解决。

工业生产车间和矿井通风排尘也是一个环境流体力学问题化工生产过程中排放的微细粉尘,,

采矿

、

纺织,

、

粮食加

不仅污染周围空气。

,

危害工人健康0,

而且会引起。

粉尘爆炸,

19

7年哈尔滨亚麻厂爆炸事件即是典型事例 8.

我国现有 5 7

个统配和重点煤,。

矿有瓦斯危险的矿井

约占4 6

7

% 9 0%矿井如无可靠防护措施煤尘有爆炸危险工程流,,

体力学为粉尘爆炸机理的研究以及为车间矿井通风排尘提供可靠参数起到重要作用

体育运动方面一

流体力学与许多体育运动项日有关

,

如球类

、

游泳

、

!雪 I J?

、

航海,

、

跳伞

、

赛车和投。

掷等

。

球类方面球的发“

,

高尔夫球,

、

网球

、

乒乓球的气动力研究很 J, L开展。,

已取得不少成果

排,

飘球,

”

从风洞试验得到球体受力特性。

标枪的外形设计直接影响比赛成绩。

由风洞试验究,

测定标枪的压力中心,

并给出理论计算公式、

198 6、

年

,

国产标枪出日

,

受

到国外教练员好评的跟骑距离,

风洞试验对赛车的车体整形头盔服饰骑行姿势和编队方式进行研可以使赛车阻力减少 2 0%。

例如气动力学改进车体整形

,

多人编队骑行

,

采取适当

可使阴力比单人骑行减少 5 0一6 0%

参1 2:工海力学.

_

考,

文(3 ).

献,

上海力学学会.

.

1990

(必,

.

土海,

:

_

卜海力学编辑部:

中国环境科学委会。

中国环境科学学会.

19 88

8

(3 )

北京:

中川环境科学编

34

水资源保护科技日报 1技北京手..

.

水利部水资源司. .

1990,

,

(l)5,

(2 )南京

水资源保护编辑部

科技日报编辑部北京科协SO M E19 88,

198 7

23北 10北

京京

:

5

1

.

29 55,

:

北京科技编辑部

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