作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2020-7-2
选择字号:
弗劳德数的广泛应用

威廉姆·弗劳德

 

张宇宁

2019年12月17日下午,山东号航空母舰正式交付我国海军使用。山东舰可谓是一个庞然大物,长315米,宽75米,满载排水量约为7万吨,吃水深度约为11米。这样一个巨型军舰的具体建造过程是怎么样的?其所依据的科学原理是什么?对于这些问题,很多同学都会很好奇。本文重点围绕无量纲数弗劳德数及模型水池的概念对船舶建造所涉及的流体力学原理进行简要的介绍。

19世纪,船舶工业蓬勃发展,需求量巨大。但由于真实的船舶尺寸极其巨大,如何有效地在早期的设计阶段进行详细地试验研究和优化设计,是摆在船舶工业界面前的重要科学问题。

1861年,英国工程师威廉姆·弗劳德发表了一篇论文,探讨了采用按照真实船舶等比例缩小的模型船体进行试验研究的可能性,并据此推测真实船舶的各种重要指标。该论文中,他还提出了一个在模型船舶和真实船舶间进行重要参数换算的公式,也就是后续以他的名字命名的无量纲准则数,即弗劳德数。

为了验证该理论,他建造了3个分别为3、6和12英尺的模型船舶,在水池中对其进行了详细的试验,并依据测得的试验数据预测真实船舶的各项重要指标。上述论文发表后,获得了广泛的认可,极大地促进了船舶工业的发展以及模型水池的建设。在此过程中,海军造船师Ferdinand Reech也对该理论的形成有一定的贡献。

随后,世界上第一个模型水池便在英格兰西南部原德文郡南部城市托基建造。弗劳德的工作为船舶工业提供了重要的理论基础,影响深远。除此以外,在水射流驱动领域,也有以弗劳德名字命名的物理量,被称为“弗劳德推进效率”,用于衡量输出功率和输入功率的比值。

现在,我们来探讨一下弗劳德数的物理意义和定义式。具体而言,弗劳德数表征了惯性力与物体所受到的重力的比值,其定义式为运动物体的特征速度与重力加速度乘以物体的特征长度后开二次根号的比值。围绕具体的问题和研究对象,弗劳德数中相关变量的选取举例如下。

应用案例一:对于船舶,特征速度一般取船舶与海水的相对速度,特征长度一般取船舶的长度。

应用案例二:对于潮汐波以及其他一些浅水波现象,特征速度一般取波的运动速度,特征长度一般取深度。

应用案例三:对于旋转搅拌过程,由于速度等于旋转角速度乘以特征半径,因此弗劳德数可以进一步定义为旋转角速度的平方乘以特征半径再除以重力加速度,并将最终的结果开二次根号。

应用案例四:对于分层流动或者不同密度流体的流动(例如,冷水与热水相混合的流动),重力加速度项应进行适当修正,应将其乘以两种流体间的密度差并除以典型流体的密度。

应用案例五:对于在其他星球发生的流动,需要采用该星球的重力加速度。

应用案例六:在生物学领域,羊等哺乳动物腿部移动过程中的动力学行为研究也可以采用弗劳德数进行,其反映了离心力与重力的比值。

2020年,我国即将进行火星探测器的发射。火星表面的重力是地球表面重力的0.38倍。因此,火星上的物体所受到的重力比其在地球上要小得多。如果流体现象所涉及的特征速度和特征长度在火星和地球上是相同的,则在火星上该流动的弗劳德数较大。这些知识对于火星探测器在火星表面成功着陆非常重要。

在山东号航空母舰前期船舶设计理念的探索阶段,研究人员在实验室中采用模型水池围绕等比例缩小的模型船舶开展研究,尝试运用较为先进的设计理念和方法提升船舶性能,并对其实际效果进行评估,为后续船舶的总体设计方案提供技术上的支撑。

弗劳德的个人经历对本科生科学研究之路的规划也颇有借鉴意义。弗劳德的第一份工作是在铁路公司做测量师,并在1837年至1844年间负责建造了英国布里斯托到埃克塞特间的部分铁路。在此过程中,通过丰富的工程实践,他熟练地掌握了铁路建设中的重要设计准则以及经验方法,并在此基础上进行了创新,改进了拱形桥和交叉点的设计。

后来,弗劳德的兴趣在英国知名工程师布鲁奈尔的引导下逐渐转向船舶建造和设计领域,最终取得了很大的成就。从铁路、桥梁界到造船界,弗劳德的科研跨度很大,但他却能够转型成功并取得丰硕成果。究其原因,弗劳德所积累的优秀的数学和物理基础在此过程中发挥了重要的作用。

http://blog.sciencenet.cn/u/upflyzhang

 

《中国科学报》 (2020-07-02 第8版 博客)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
“黎明”号揭秘谷神星 茶产业如何打造下一个万亿级目标
新纳米孔材料打破分子交通堵塞 科学家揭示不同肥料调控叶片光合作用机理
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文