了解流體動(dòng)力學(xué)是什么

流體動(dòng)力學(xué)是對流體運(yùn)動(dòng)的研究，包括當(dāng)兩種流體彼此接觸時(shí)它們的相互作用。在這種情況下，術(shù)語"流體"是指液體或氣體。這是一種宏觀的統(tǒng)計(jì)方法，用于大規(guī)模分析這些相互作用，將流體視為物質(zhì)的連續(xù)體，并且通常忽略液體或氣體由單個(gè)原子組成的事實(shí)。

流體動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的兩個(gè)主要分支之一，另一個(gè)分支是流體靜態(tài)，靜止流體研究。（也許不足為奇的是，流體靜電在大多數(shù)時(shí)候可能被認(rèn)為比流體動(dòng)力學(xué)更不令人興奮。）

流體動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵概念

每個(gè)學(xué)科都涉及對理解其運(yùn)作方式至關(guān)重要的概念。以下是您在嘗試了解流體動(dòng)力學(xué)時(shí)遇到的一些主要問題。

基本流體原理

在研究運(yùn)動(dòng)中的流體時(shí)，應(yīng)用于流體靜態(tài)的流體概念也起作用。流體力學(xué)中最早的概念幾乎是阿基米德在古希臘發(fā)現(xiàn)的浮力概念。

隨著流體流動(dòng)，流體的密度和壓力對于理解它們?nèi)绾蜗嗷プ饔靡彩侵陵P(guān)重要的。粘度決定了液體的變化阻力，因此在研究液體的運(yùn)動(dòng)中也是必不可少的。以下是分析中出現(xiàn)的一些變量：

• 體積粘度：μ
• 密度：ρ
• 運(yùn)動(dòng)粘度：ν=μ/ρ

Flow

由于流體動(dòng)力學(xué)涉及流體運(yùn)動(dòng)的研究，因此必須理解的第一個(gè)概念之一是物理學(xué)家如何量化該運(yùn)動(dòng)。物理學(xué)家用來描述物理性質(zhì)的術(shù)語液體的運(yùn)動(dòng)流量。流量描述了廣泛的流體運(yùn)動(dòng)，例如吹通過空氣，流過管道或沿著表面運(yùn)行?；诹鲃?dòng)的各種特性，流體的流動(dòng)以各種不同的方式分類。

穩(wěn)定與不穩(wěn)定流動(dòng)

如果流體的運(yùn)動(dòng)不隨時(shí)間變化，則認(rèn)為穩(wěn)定流量。這取決于流量的所有屬性相對于時(shí)間保持恒定的情況，或者可以通過說流場的時(shí)間導(dǎo)數(shù)消失來交替地討論。（查看微積分以了解更多關(guān)于理解導(dǎo)數(shù)的信息。）

穩(wěn)態(tài)流量的時(shí)間依賴性更小，因?yàn)樗辛黧w特性（不僅僅是流動(dòng)特性）在流體內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)都保持恒定。因此，如果您有穩(wěn)定的流量，但流體本身的特性在某些時(shí)候發(fā)生變化（可能是因?yàn)樵诹黧w的某些部分造成時(shí)間依賴性波紋的障礙），那么您將獲得穩(wěn)定的流量不是穩(wěn)態(tài)流量。

然而，所有穩(wěn)態(tài)流量都是穩(wěn)定流量的例子。以恒定速率流過直管的電流將是穩(wěn)態(tài)流量（也是穩(wěn)定流量）的一個(gè)例子。

如果流動(dòng)本身具有隨時(shí)間變化的特性，則稱為不穩(wěn)定流動(dòng)或瞬態(tài)流動(dòng)。在風(fēng)暴中流入排水溝的雨水是不穩(wěn)定流動(dòng)的一個(gè)例子。

作為一般規(guī)則，穩(wěn)定流動(dòng)使得處理問題比不穩(wěn)定流動(dòng)更容易，這是人們所期望的，因?yàn)榱鲃?dòng)的時(shí)間依賴性變化不需要考慮，并且變化的健康知識(shí)群名事物隨著時(shí)間的推移通常會(huì)使事情變得更加復(fù)雜。

層流與湍流

光滑的液體流動(dòng)是據(jù)說有層流。包含看似混沌，非線性運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)據(jù)說具有湍流。根據(jù)定義，湍流是一種不穩(wěn)定的流動(dòng)。

兩種類型的流動(dòng)都可能包含漩渦，渦流和各種類型的再循環(huán)，盡管存在的這種行為越多，流動(dòng)就越有可能被歸類為湍流。

流動(dòng)是層流還是湍流之間的區(qū)別通常與雷諾數(shù)（Re）有關(guān)。雷諾數(shù)最初是由物理學(xué)家喬治·加布里埃爾·斯托克斯（George Gabriel Stokes）于1951年計(jì)算出來的，但它是以19世紀(jì)科學(xué)家奧斯本·雷諾茲（Osborne Reynolds）命名的。

雷諾數(shù)不僅取決于流體本身的細(xì)節(jié)，還取決于其流動(dòng)條件，其通過以下方式導(dǎo)出為慣性力與粘性力的比率：

Re=慣性力/粘性力

132 Re 133（ρVdV/dx）/（μd²V/dx²）

術(shù)語dV/dx是速度的梯度（或速度的一階導(dǎo)數(shù)），其與速度（V）除以L成比例，表示長度的比例，導(dǎo)致dV/dx=V/L.二階導(dǎo)數(shù)使得d²V/dx²=V/L²。用這些代替一階和二階導(dǎo)數(shù)導(dǎo)致：

Re=（ρV V/L）/（μV/L²）

Re=（ρvL）/μ

您也可以除以長度標(biāo)度L，得到每英尺雷諾數(shù)，指定為Re f=V/ν。

低雷諾數(shù)表示平滑的層流。高雷諾數(shù)表示A將展示漩渦和漩渦的流動(dòng)，通常會(huì)更加湍流。

管道流量與明渠流量

管道流量表示與所有側(cè)面的剛性邊界接觸的流量，例如通過管道移動(dòng)的水（因此名稱"管道流量"）或通過空氣移動(dòng)的空氣管道。

明渠流量描述了在其他情況下的流量，其中至少有一個(gè)自由表面不與剛性邊界接觸。（就技術(shù)而言，自由表面具有0個(gè)平行的剪切應(yīng)力。）明渠流動(dòng)的情況包括通過河流的水，洪水，降雨期間流動(dòng)的水，潮流和灌溉渠道。在這些情況下，水與空氣接觸的流水表面代表流動(dòng)的"自由表面"。

管道中的流量由壓力或重力驅(qū)動(dòng)，但明渠情況下的流量僅由重力驅(qū)動(dòng)。城市水系統(tǒng)經(jīng)常使用水塔來利用這一點(diǎn)，因此塔中水的高程差（水動(dòng)力頭）產(chǎn)生壓差，然后用機(jī)械泵調(diào)節(jié)壓差以獲得水到系統(tǒng)中需要它們的位置。

可壓縮與不可壓縮

氣體通常被視為可壓縮流體，因?yàn)榘鼈兊捏w積可以減小?？諝夤艿揽梢詼p小一半的尺寸，并且仍然以相同的速率輸送相同量的氣體。即使氣體流過空氣管道，一些地區(qū)的密度也會(huì)高于其他地區(qū)。

作為一般規(guī)則，不可壓縮意味著流體的任何區(qū)域的密度在通過流動(dòng)時(shí)不隨時(shí)間變化。當(dāng)然，液體也可以壓縮，但有更多的限制關(guān)于可以進(jìn)行的壓縮量。因此，液體通常被建模為不可壓縮。

Bernoulli's Principle

Bernoulli's原理是流體動(dòng)力學(xué)的另一個(gè)關(guān)鍵要素，發(fā)表于Daniel Bernoulli's 1738 bookHydrodynamica。簡而言之，它將液體中速度的增加與壓力或勢能的降低聯(lián)系起來。對于不可壓縮流體，這可以用所謂的Bernoulli's方程來描述：

（v²/2）+gz+p/ρ=常數(shù)

其中g是重力加速度，ρ是整個(gè)液體的壓力，v是給定點(diǎn)的流體流速，z是該點(diǎn)的高度，p是該點(diǎn)的壓力。因?yàn)檫@在流體中是恒定的，所以這意味著這些方程可以將任何兩點(diǎn)1和2與以下等式相關(guān)聯(lián)：

（v²/2）+gz+p/ρ=（v²/2）+gz+p/ρ

基于海拔高度的液體的壓力和勢能之間的關(guān)系也通過Pascal's定律相關(guān)。

流體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用

三分之二的地球表面是水，地球被幾層大氣包圍，所以我們始終被流體包圍。。。幾乎總是在運(yùn)動(dòng)。

考慮一下，這使得很明顯，運(yùn)動(dòng)流體會(huì)有很多相互作用，供我們科學(xué)研究和理解。當(dāng)然，流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)入的那個(gè)'，所以不缺乏應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)概念的領(lǐng)域。

這個(gè)list并非詳盡無遺，而是提供了流體動(dòng)力學(xué)在各種專業(yè)物理學(xué)研究中出現(xiàn)的方式的良好概述：

• 海洋學(xué)，氣象學(xué)和amp;氣候科學(xué)-由于大氣被模擬為流體，因此對大氣科學(xué)和洋流的研究對于理解和預(yù)測天氣模式和氣候趨勢至關(guān)重要，在很大程度上依賴于流體動(dòng)力學(xué)。
• 航空公司-流體物理學(xué)動(dòng)力學(xué)涉及研究空氣流動(dòng)產(chǎn)生阻力和升力，從而產(chǎn)生比空氣飛行更重的力。
• 地質(zhì)與環(huán)境;地球物理學(xué)-板塊構(gòu)造涉及研究加熱物質(zhì)在地球液核內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。
• Hematology&血流動(dòng)力學(xué)-血液的生物學(xué)研究包括通過血管循環(huán)的研究，血液循環(huán)可以使用流體動(dòng)力學(xué)方法建模。
• 等離子體物理學(xué)-雖然既不是液體也不是氣體，但等離子體的行為通常與流體相似，也可以使用流體動(dòng)力學(xué)建模。
• Astrophysics&Cosmology-恒星演化過程涉及恒星隨時(shí)間的變化，這可以通過研究組成恒星的等離子體如何隨時(shí)間在恒星內(nèi)流動(dòng)和相互作用來理解。
• 交通分析-也許流體動(dòng)力學(xué)最令人驚訝的應(yīng)用之一是了解交通，車輛和行人交通的運(yùn)動(dòng)。在交通足夠密集的地區(qū)，整個(gè)交通系統(tǒng)可以被視為一個(gè)單一的實(shí)體，其行為方式與流體的流動(dòng)大致相似。

流體動(dòng)力學(xué)的替代名稱

流體動(dòng)力學(xué)也是s有時(shí)被稱為流體動(dòng)力學(xué)，盡管這更多是一個(gè)歷史術(shù)語。在整個(gè)二十世紀(jì)，短語"流體動(dòng)力學(xué)"變得更常用。

從技術(shù)上講，更恰當(dāng)?shù)恼f流體動(dòng)力學(xué)是當(dāng)流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)中的液體時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)是當(dāng)流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)中的氣體時(shí)。

然而，在實(shí)踐中，流體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和磁流體動(dòng)力學(xué)等專門主題使用"hydro-"前綴，即使它們將這些概念應(yīng)用于氣體運(yùn)動(dòng)也是如此。