了解流體動力學(xué)是什么

流體動力學(xué)是對流體運動的研究，包括當兩種流體彼此接觸時它們的相互作用。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原子組成的事實。

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

流體動力學(xué)的關(guān)鍵概念

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

基本流體原理

在研究運動中的流體時，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，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動中也是必不可少的。以下是分析中出現(xiàn)的一些變量：

• 體積粘度：μ
• 密度：ρ
• 運動粘度：ν=μ/ρ

Flow

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

穩(wěn)定與不穩(wěn)定流動

如果流體的運動不隨時間變化，則認為穩(wěn)定流量。這取決于流量的所有屬性相對于時間保持恒定的情況，或者可以通過說流場的時間導(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)流量的時間依賴性更小，因為所有流體特性（不僅僅是流動特性）在流體內(nèi)的每個點都保持恒定。因此，如果您有穩(wěn)定的流量，但流體本身的特性在某些時候發(fā)生變化（可能是因為在流體的某些部分造成時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）的一個例子。

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

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

層流與湍流

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

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

流動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年計算出來的，但它是以19世紀科學(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節(jié)，還取決于其流動條件，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，通常會更加湍流。

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，例如通過管道移動的水（因此名稱"管道流量"）或通過空氣移動的空氣管道。

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個平行的剪切應(yīng)力。）明渠流動的情況包括通過河流的水，洪水，降雨期間流動的水，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的"自由表面"。

管道中的流量由壓力或重力驅(qū)動，但明渠情況下的流量僅由重力驅(qū)動。城市水系統(tǒng)經(jīng)常使用水塔來利用這一點，因此塔中水的高程差（水動力頭）產(chǎn)生壓差，然后用機械泵調(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，因為包含它們的體積可以減小?？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時不隨時間變化。當然，液體也可以壓縮，但有更多的限制關(guān)于可以進行的壓縮量。因此，液體通常被建模為不可壓縮。

Bernoulli's Principle

Bernoulli's原理是流體動力學(xué)的另一個關(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是整個液體的壓力，v是給定點的流體流速，z是該點的高度，p是該點的壓力。因為這在流體中是恒定的，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。。。幾乎總是在運動。

考慮一下，這使得很明顯，運動流體會有很多相互作用，供我們科學(xué)研究和理解。當然，流體動力學(xué)進入的那個'，所以不缺乏應(yīng)用流體動力學(xué)概念的領(lǐng)域。

這個list并非詳盡無遺，而是提供了流體動力學(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力學(xué)。
• 航空公司-流體物理學(xué)動力學(xué)涉及研究空氣流動產(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)的運動。
• Hematology&血流動力學(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，也可以使用流體動力學(xué)建模。
• Astrophysics&Cosmology-恒星演化過程涉及恒星隨時間的變化，這可以通過研究組成恒星的等離子體如何隨時間在恒星內(nèi)流動和相互作用來理解。
• 交通分析-也許流體動力學(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動。在交通足夠密集的地區(qū)，整個交通系統(tǒng)可以被視為一個單一的實體，其行為方式與流體的流動大致相似。

流體動力學(xué)的替代名稱

流體動力學(xué)也是s有時被稱為流體動力學(xué)，盡管這更多是一個歷史術(shù)語。在整個二十世紀，短語"流體動力學(xué)"變得更常用。

從技術(shù)上講，更恰當?shù)恼f流體動力學(xué)是當流體動力學(xué)應(yīng)用于運動中的液體時，空氣動力學(xué)是當流體動力學(xué)應(yīng)用于運動中的氣體時。

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