本文譯自機(jī)械設(shè)計(jì)工程師haku的博客。

目錄

1. 一、什么是流體力學(xué)

2. 二、運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)可做什么？

3. 三、流體的分類

   1. 理想流體與真實(shí)流體

   2. 連續(xù)和不連續(xù)流體

   3. 穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流

   4. 牛頓流體和非牛頓流體

   5. 超音速流

一、什么是流體力學(xué)

 

流體力學(xué)就是“處理流動(dòng)物體的動(dòng)力學(xué)” ，“流動(dòng)物體”是指具有不同性質(zhì)的液體和氣體。簡(jiǎn)化來說，氣體充滿了空隙，因此分子在其中飛來飛去。液體是松散結(jié)合的分子，沒有間隙。因此，當(dāng)氣體被壓縮時(shí)，其體積和密度會(huì)發(fā)生變化，而當(dāng)液體被壓縮時(shí)，其體積和密度幾乎不會(huì)發(fā)生變化。氣體和液體之間物理性質(zhì)的這種差異也會(huì)影響流體動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)。

 

例如，當(dāng)溫度升高時(shí)，容器中的氣體分子會(huì)增加其內(nèi)能并飛得更快，結(jié)果，氣體分子與容器壁碰撞，增加了容器內(nèi)的壓力；如果容器是可變的，它會(huì)膨脹并增加體積。另一方面，對(duì)于液體，這些變化可以忽略不計(jì)。

 

由上可知，氣體是可壓縮的，液體是不可壓縮的。在學(xué)習(xí)流體力學(xué)時(shí)理解這些概念很重要。

• 氣體：可壓縮
• 液體：無壓縮性（incompressibility）

二、運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)可以做什么？

 

流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)用于“處理液體和氣體的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)”。具體例子有汽車、飛機(jī)、水管、煤氣管、冷卻發(fā)熱部件的冷卻裝置（水冷、風(fēng)冷）等。例如，在飛機(jī)上，我們使用流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)來計(jì)算空氣阻力和浮力。對(duì)于水管和氣管，重要的是設(shè)計(jì)壓力損失小的管道。此外，冷卻系統(tǒng)根據(jù)流量和速度計(jì)算“冷卻效率”。

 

通過這種方式，我們周圍的許多產(chǎn)品都使用了流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)。可以說，流體力學(xué)是從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作的必備知識(shí)。

三、流體的分類

 

1、理想流體與真實(shí)流體

沒有粘度或壓縮性的流體稱為理想流體，具有粘度的流體稱為真實(shí)流體。例如日常生活中常見的水和空氣，都是真實(shí)的流體。河流中的水流沿河岸速度減慢，離開河岸時(shí)速度加快。渦流也可能發(fā)生在河流中。這些是由于流體的粘性而發(fā)生的現(xiàn)象，是真實(shí)流體的特性。另一方面，理想流體被定義為沒有粘度并且不能通過施加力來壓縮的流體。在前面的河流示例中，沒有粘性也沒有阻力，因此河岸和河中之間的速度沒有變化。此外，由于流體之間沒有摩擦（剪切力），因此不會(huì)產(chǎn)生渦流。

 

水和空氣都不是理想流體，但緩緩彎曲的水流和低速氣流可以近似為理想流體。

• 理想流體・・・非粘性、不可壓縮的流體
• 真實(shí)流體・・・具有粘性和壓縮性的真實(shí)流體

2、連續(xù)和不連續(xù)流體

流體質(zhì)量連續(xù)變化的情況稱為連續(xù)流體，質(zhì)量不連續(xù)變化的情況稱為不連續(xù)流體。例如，地表（0 米高度）的空氣是連續(xù)流體，但 100 公里高度的空氣是不連續(xù)流體。

 

更詳細(xì)地解釋一下，大氣壓力隨著高度的增加而降低。因此，100 公里高空的空氣每單位體積的分子比靠近地表的空氣少。氣體分子在空間中隨機(jī)飛來飛去，因此如果分子數(shù)量減少，分子數(shù)量會(huì)因位置而異。換句話說，空間中的質(zhì)量（分子數(shù)）不再均勻分布。在這里，我們使用努森數(shù) Kn來確定流體是否為連續(xù)介質(zhì)。克努森數(shù)由下式表示，如果“Kn < 0.01” ，流體是連續(xù)的。Kn = λ/L　（λ：分子平均自由程，L：代表長(zhǎng)度）
基本上，處理流體力學(xué)的公式和定理只適用于連續(xù)流體。請(qǐng)記住，具有高克努森數(shù)的不連續(xù)流體（例如高空的空氣）不在一般流體動(dòng)力學(xué)的范圍內(nèi)。

• 連續(xù)流體・・・質(zhì)量流量連續(xù)變化的流動(dòng)（Kn＜1）
• 不連續(xù)流體・・・質(zhì)量流量不連續(xù)變化的流動(dòng)

3、穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流

狀態(tài)不隨時(shí)間變化的流稱為穩(wěn)態(tài)流，狀態(tài)隨時(shí)間變化的流稱為非穩(wěn)態(tài)流。這里的流體狀態(tài)指的是速度、壓力、流速和流動(dòng)方向。例如，在陽光明媚的日子里，微風(fēng)中的一條河流在條件不變的情況下穩(wěn)定流動(dòng)。另一方面，在臺(tái)風(fēng)日，河流流量不穩(wěn)定，因?yàn)榱髁亢土魉贂?huì)根據(jù)降水量和風(fēng)速而變化。

 

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，所需的規(guī)格和設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)是否考慮穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定狀態(tài)）或非穩(wěn)態(tài)（流量隨時(shí)間變化）而變化。因此，有必要考慮使用條件和環(huán)境來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

• 穩(wěn)態(tài)流：狀態(tài)（速度、流量、流向）不隨時(shí)間變化的流
• 不穩(wěn)定流：隨時(shí)間改變狀態(tài)（速度、流速、流向）的流

4、牛頓流體和非牛頓流體

水、空氣等粘度（粘度/粘度系數(shù)）恒定的流體稱為牛頓流體，粘度隨流速變化的流體稱為非牛頓流體。例如，淀粉糖漿、油漆和混凝土等高粘度流體是非牛頓流體。流體動(dòng)力學(xué)中的公式和定理可以應(yīng)用于牛頓流體。但非牛頓流體不能直接使用牛頓流體中的公式。

• 牛頓流體・・・粘度恒定的流體
• 非牛頓流體・・・粘度隨流速變化的流體

5、超音速流

速度超過音速的流動(dòng)稱為超音速流動(dòng)。馬赫數(shù) M（即流速 u 與聲速 a 之比）大于 1 的流動(dòng)。M = u / a（無量綱）由于流體的溫度會(huì)升高，流速在變化，熱力學(xué)和傳熱學(xué)中也涉及超音速流動(dòng)；在隕石飛入大氣層的速度區(qū)（M>5），稱為高超音速流。

• 超音速流：馬赫數(shù)大于1的流動(dòng)（流速比音速快）