了解流体动力学是什么

流体动力学是对流体运动的研究，包括当两种流体彼此接触时它们的相互作用。在这种情况下，术语"流体"是指液体或气体。这是一种宏观的统计方法，用于大规模分析这些相互作用，将流体视为物质的连续体，并且通常忽略液体或气体由单个原子组成的事实。

流体动力学是流体力学的两个主要分支之一，另一个分支是流体静态，静止流体研究。（也许不足为奇的是，流体静电在大多数时候可能被认为比流体动力学更不令人兴奋。）

流体动力学的关键概念

每个学科都涉及对理解其运作方式至关重要的概念。以下是您在尝试了解流体动力学时遇到的一些主要问题。

基本流体原理

在研究运动中的流体时，应用于流体静态的流体概念也起作用。流体力学中最早的概念几乎是阿基米德在古希腊发现的浮力概念。

随着流体流动，流体的密度和压力对于理解它们如何相互作用也是至关重要的。粘度决定了液体的变化阻力，因此在研究液体的运动中也是必不可少的。以下是分析中出现的一些变量：

• 体积粘度：μ
• 密度：ρ
• 运动粘度：ν=μ/ρ

Flow

由于流体动力学涉及流体运动的研究，因此必须理解的**个概念之一是物理学家如何量化该运动。物理学家用来描述物理性质的术语液体的运动流量。流量描述了广泛的流体运动，例如吹通过空气，流过管道或沿着表面运行。基于流动的各种特性，流体的流动以各种不同的方式分类。

稳定与不稳定流动

如果流体的运动不随时间变化，则认为稳定流量。这取决于流量的所有属性相对于时间保持恒定的情况，或者可以通过说流场的时间导数消失来交替地讨论。（查看微积分以了解更多关于理解导数的信息。）

稳态流量的时间依赖性更小，因为所有流体特性（不仅仅是流动特性）在流体内的每个点都保持恒定。因此，如果您有稳定的流量，但流体本身的特性在某些时候发生变化（可能是因为在流体的某些部分造成时间依赖性波纹的障碍），那么您将获得稳定的流量不是稳态流量。

然而，所有稳态流量都是稳定流量的例子。以恒定速率流过直管的电流将是稳态流量（也是稳定流量）的一个例子。

如果流动本身具有随时间变化的特性，则称为不稳定流动或瞬态流动。在风暴中流入排水沟的雨水是不稳定流动的一个例子。

作为一般规则，稳定流动使得处理问题比不稳定流动更容易，这是人们所期望的，因为流动的时间依赖性变化不需要考虑，并且变化的健康知识群名事物随着时间的推移通常会使事情变得更加复杂。

层流与湍流

光滑的液体流动是据说有层流。包含看似混沌，非线性运动的流动据说具有湍流。根据定义，湍流是一种不稳定的流动。

两种类型的流动都可能包含漩涡，涡流和各种类型的再循环，尽管存在的这种行为越多，流动就越有可能被归类为湍流。

流动是层流还是湍流之间的区别通常与雷诺数（Re）有关。雷诺数最初是由物理学家乔治·加布里埃尔·斯托克斯（George Gabriel Stokes）于1951年计算出来的，但它是以19世纪科学家奥斯本·雷诺兹（Osborne Reynolds）命名的。

雷诺数不仅取决于流体本身的细节，还取决于其流动条件，其通过以下方式导出为惯性力与粘性力的比率：

Re=惯性力/粘性力

132 Re 133（ρVdV/dx）/（μd²V/dx²）

术语dV/dx是速度的梯度（或速度的一阶导数），其与速度（V）除以L成比例，表示长度的比例，导致dV/dx=V/L.二阶导数使得d²V/dx²=V/L²。用这些代替一阶和二阶导数导致：

Re=（ρV V/L）/（μV/L²）

Re=（ρvL）/μ

您也可以除以长度标度L，得到每英尺雷诺数，指定为Re f=V/ν。

低雷诺数表示平滑的层流。高雷诺数表示A将展示漩涡和漩涡的流动，通常会更加湍流。

管道流量与明渠流量

管道流量表示与所有侧面的刚性边界接触的流量，例如通过管道移动的水（因此名称"管道流量"）或通过空气移动的空气管道。

明渠流量描述了在其他情况下的流量，其中至少有一个自由表面不与刚性边界接触。（就技术而言，自由表面具有0个平行的剪切应力。）明渠流动的情况包括通过河流的水，洪水，降雨期间流动的水，潮流和灌溉渠道。在这些情况下，水与空气接触的流水表面代表流动的"自由表面"。

管道中的流量由压力或重力驱动，但明渠情况下的流量仅由重力驱动。城市水系统经常使用水塔来利用这一点，因此塔中水的高程差（水动力头）产生压差，然后用机械泵调节压差以获得水到系统中需要它们的位置。

可压缩与不可压缩

气体通常被视为可压缩流体，因为包含它们的体积可以减小。空气管道可以减小一半的尺寸，并且仍然以相同的速率输送相同量的气体。即使气体流过空气管道，一些地区的密度也会高于其他地区。

作为一般规则，不可压缩意味着流体的任何区域的密度在通过流动时不随时间变化。当然，液体也可以压缩，但有更多的限制关于可以进行的压缩量。因此，液体通常被建模为不可压缩。

Bernoulli's Principle

Bernoulli's原理是流体动力学的另一个关键要素，发表于Daniel Bernoulli's 1738 bookHydrodynamica。简而言之，它将液体中速度的增加与压力或势能的降低联系起来。对于不可压缩流体，这可以用所谓的Bernoulli's方程来描述：

（v²/2）+gz+p/ρ=常数

其中g是重力加速度，ρ是整个液体的压力，v是给定点的流体流速，z是该点的高度，p是该点的压力。因为这在流体中是恒定的，所以这意味着这些方程可以将任何两点1和2与以下等式相关联：

（v²/2）+gz+p/ρ=（v²/2）+gz+p/ρ

基于海拔高度的液体的压力和势能之间的关系也通过Pascal's定律相关。

流体动力学的应用

三分之二的地球表面是水，地球被几层大气包围，所以我们始终被流体包围。。。几乎总是在运动。

考虑一下，这使得很明显，运动流体会有很多相互作用，供我们科学研究和理解。当然，流体动力学进入的那个'，所以不缺乏应用流体动力学概念的领域。

这个list并非详尽无遗，而是提供了流体动力学在各种专业物理学研究中出现的方式的良好概述：

• 海洋学，气象学和amp;气候科学-由于大气被模拟为流体，因此对大气科学和洋流的研究对于理解和预测天气模式和气候趋势至关重要，在很大程度上依赖于流体动力学。
• 航空公司-流体物理学动力学涉及研究空气流动产生阻力和升力，从而产生比空气飞行更重的力。
• 地质与环境;地球物理学-板块构造涉及研究加热物质在地球液核内的运动。
• Hematology&血流动力学-血液的生物学研究包括通过血管循环的研究，血液循环可以使用流体动力学方法建模。
• 等离子体物理学-虽然既不是液体也不是气体，但等离子体的行为通常与流体相似，也可以使用流体动力学建模。
• Astrophysics&Cosmology-恒星演化过程涉及恒星随时间的变化，这可以通过研究组成恒星的等离子体如何随时间在恒星内流动和相互作用来理解。
• 交通分析-也许流体动力学最令人惊讶的应用之一是了解交通，车辆和行人交通的运动。在交通足够密集的地区，整个交通系统可以被视为一个单一的实体，其行为方式与流体的流动大致相似。

流体动力学的替代名称

流体动力学也是s有时被称为流体动力学，尽管这更多是一个历史术语。在整个二十世纪，短语"流体动力学"变得更常用。

从技术上讲，更恰当的说流体动力学是当流体动力学应用于运动中的液体时，空气动力学是当流体动力学应用于运动中的气体时。

然而，在实践中，流体动力学稳定性和磁流体动力学等专门主题使用"hydro-"前缀，即使它们将这些概念应用于气体运动也是如此。