流體力學(xué)是什么 流體力學(xué)可以用于哪些方面

什么是“流體力學(xué)”？什么叫流體力學(xué)？流體力學(xué)學(xué)什么？流體力學(xué)是一門什么學(xué)科？流體力學(xué)具體講什么？流體力學(xué)的本質(zhì)是什么？流體力學(xué)的要點是什么？

本文導(dǎo)航

• 流體力學(xué)講什么
• 流體力學(xué)三大模型是什么
• 計算流體力學(xué)能做什么
• 一般工程流體力學(xué)學(xué)哪些內(nèi)容
• 流體力學(xué)可以用于哪些方面
• 流體力學(xué)公式有哪些

流體力學(xué)講什么

流體力學(xué)是力學(xué)的一個分支，它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規(guī)律。

流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要基礎(chǔ)是牛頓運動定律和質(zhì)量守恒定律，常常還要用到熱力學(xué)知識，有時還用到宏觀電動力學(xué)的基本定律、本構(gòu)方程和物理學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識。

古希臘的阿基米德最早建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。

流體力學(xué)現(xiàn)已成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、天文、地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面都有廣泛的應(yīng)用。

流體力學(xué)三大模型是什么

是研究能流動的物體（如氣體、液體或其混合體）在靜止或流動時分別表現(xiàn)出來的靜力學(xué)或動力學(xué)行為及其工程應(yīng)用的學(xué)科。

計算流體力學(xué)能做什么

研究內(nèi)容

基本假設(shè)

·連續(xù)體假設(shè)

物質(zhì)都由分子構(gòu)成,盡管分子都是離散分布的,做無規(guī)則的熱運動.但理論和實驗都表明,在很小的范圍內(nèi),做熱運動的流體分子微團的統(tǒng)計平均值是穩(wěn)定的.因此可以近似的認(rèn)為流體是由連續(xù)物質(zhì)構(gòu)成,其中的溫度,密度,壓力等物理量都是連續(xù)分布的標(biāo)量場.

·質(zhì)量守恒

質(zhì)量守恒目的是建立描述流體運動的方程組.歐拉法描述為:流進絕對坐標(biāo)系中任何閉合曲面內(nèi)的質(zhì)量等于從這個曲面流出的質(zhì)量,這是一個積分方程組,化為微分方程組就是:密度和速度的乘積的散度是零(無散場).用歐拉法描述為:流體微團質(zhì)量的隨體導(dǎo)數(shù)隨時間的變化率為零。

·動量定理

流體力學(xué)在微觀是無限大，并且是低速運動，屬于經(jīng)典力學(xué)的范疇。因此動量定理和動量矩定理適用于流體微元。

·應(yīng)力張量

對流體微元的作用力，主要有表面力和體積力，表面力和體積力分別是力在單位面積和單位體積上的量度，因此它們有界。由于我們在建立流體力學(xué)基本方程組的時候考慮的是尺寸很小的流體微元，因此流體微團表面所受的力是尺寸的二階小量，體積力是尺寸的三階小量，故當(dāng)體積很小時，可以忽略體積力的作用。認(rèn)為流體微團只是受到表面力（表面應(yīng)力）的作用。非各向同性的流體中，流體微團位置不同，表面法向不同，所受的應(yīng)力是不同的，應(yīng)力是由一個二階張量和曲面法向的內(nèi)積來描述的，二階應(yīng)力張量只有三個量是獨立的，因此，只要知道某點三個不同面上的應(yīng)力，就可確定這個點的應(yīng)力分布情況。

·粘性假設(shè)

流體具有粘性，利用粘性定理可以導(dǎo)出應(yīng)力張量。

·能量守恒

具體表述為：單位時間內(nèi)體積力對流體微團做的功加上表面力和流體微團變形速度的乘積等于單位時間內(nèi)流體微團的內(nèi)能增量加上流體微團的動能增量

研究范圍

流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產(chǎn)活動中隨時隨地都可遇到流體，所以流體力學(xué)是與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)的。大氣和水是最常見的兩種流體，大氣包圍著整個地球，地球表面的70%是水面。大氣運動、海水運動(包括波浪、潮汐、中尺度渦旋、環(huán)流等)乃至地球深處熔漿的流動都是流體力學(xué)的研究內(nèi)容。

20世紀(jì)初，世界上第一架飛機出現(xiàn)以后，飛機和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)50年代開始的航天飛行，使人類的活動范圍擴展到其他星球和銀河系。航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展是同流體力學(xué)的分支學(xué)科——空氣動力學(xué)和氣體動力學(xué)的發(fā)展緊密相連的。這些學(xué)科是流體力學(xué)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域。

石油和天然氣的開采，地下水的開發(fā)利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質(zhì)中的運動，這是流體力學(xué)分支之一——滲流力學(xué)研究的主要對象。滲流力學(xué)還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過濾，燃燒室的冷卻等技術(shù)問題。

燃燒離不開氣體，這是有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問題，是物理-化學(xué)流體動力學(xué)的內(nèi)容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過程，涉及氣體動力學(xué)，從而形成了爆炸力學(xué)。

沙漠遷移、河流泥沙運動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運動等，都涉及流體中帶有固體顆?；蛞后w中帶有氣泡等問題，這類問題是多相流體力學(xué)研究的范圍。

等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場作用下有特殊的運動規(guī)律。研究等離子體的運動規(guī)律的學(xué)科稱為等離子體動力學(xué)和電磁流體力學(xué)，它們在受控?zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運動等方面有廣泛的應(yīng)用。

風(fēng)對建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發(fā)振動；廢氣和廢水的排放造成環(huán)境污染；河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕；研究這些流體本身的運動及其同人類、動植物間的相互作用的學(xué)科稱為環(huán)境流體力學(xué)(其中包括環(huán)境空氣動力學(xué)、建筑空氣動力學(xué))。這是一門涉及經(jīng)典流體力學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)和水力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等的新興邊緣學(xué)科。

生物流變學(xué)研究人體或其他動植物中有關(guān)的流體力學(xué)問題，例如血液在血管中的流動，心、肺、腎中的生理流體運動和植物中營養(yǎng)液的輸送。此外，還研究鳥類在空中的飛翔，動物在水中的游動，等等。

因此，流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)和流體動力學(xué)；從對不同“力學(xué)模型”的研究來分，則有理想流體動力學(xué)、粘性流體動力學(xué)、不可壓縮流體動力學(xué)、可壓縮流體動力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)等。

研究成果

納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），以克勞德-路易·納維(Claude-Louis Navier)和喬治·蓋伯利爾·斯托克斯命名，是一組描述象液體和空氣這樣的流體物質(zhì)的方程。這些方程建立了流體的粒子動量的改變率(加速度)和作用在液體內(nèi)部的壓力的變化和耗散粘滯力(類似于摩擦力)以及重力之間的關(guān)系。這些粘滯力產(chǎn)生于分子的相互作用，能告訴我們液體有多粘。這樣，納維-斯托克斯方程描述作用于液體任意給定區(qū)域的力的動態(tài)平衡。

它們是最有用的一組方程之一，因為它們描述了大量對學(xué)術(shù)和經(jīng)濟有用的現(xiàn)象的物理過程。它們可以用于建模天氣，洋流，管道中的水流，星系中恒星的運動，翼型周圍的氣流。它們也可以用于飛行器和車輛的設(shè)計，血液循環(huán)的研究，電站的設(shè)計，污染效應(yīng)的分析，等等。

納維-斯托克斯方程依賴微分方程來描述流體的運動。這些方程，和代數(shù)方程不同，不尋求建立所研究的變量（譬如速度和壓力）的關(guān)系，而是建立這些量的變化率或通量之間的關(guān)系。用數(shù)學(xué)術(shù)語來講，這些變化率對應(yīng)于變量的導(dǎo)數(shù)。這樣，最簡單情況的0粘滯度的理想流體的納維-斯托克斯方程表明加速度（速度的導(dǎo)數(shù)，或者說變化率）是和內(nèi)部壓力的導(dǎo)數(shù)成正比的。

這表示對于給定的物理問題的納維-斯托克斯方程的解必須用微積分的幫助才能取得。實用上，只有最簡單的情況才能用這種方法解答，而它們的確切答案是已知的。這些情況通常設(shè)計穩(wěn)定態(tài)（流場不隨時間變化）的非湍流，其中流體的粘滯系數(shù)很大或者其速度很小（小的雷諾數(shù)）。

對于更復(fù)雜的情形，例如厄爾尼諾這樣的全球性氣象系統(tǒng)或機翼的升力，納維-斯托克斯方程的解必須借助計算機。這本身是一個科學(xué)領(lǐng)域，稱為計算流體力學(xué)。

在解釋納維-斯托克斯方程的細(xì)節(jié)之前，首先，必須對流體作前文提到的基本假設(shè)。第一個是流體是連續(xù)的。這強調(diào)它不包含形成內(nèi)部的空隙，例如，溶解的氣體的氣泡，而且它不包含霧狀粒子的聚合。另一個必要的假設(shè)是所有涉及到的場，全部是可微的，例如壓強，速度，密度，溫度，等等。

該方程從質(zhì)量，動量，和能量的守恒的基本原理導(dǎo)出。對此，有時必須考慮一個有限的任意體積，稱為控制體積，在其上這些原理很容易應(yīng)用。該有限體積記為Ω，而其表面記為?Ω。該控制體積可以在空間中固定，也可能隨著流體運動。這會導(dǎo)致一些特殊的結(jié)果。

一般工程流體力學(xué)學(xué)哪些內(nèi)容

流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是研究流體（包含氣體及液體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)?？砂囱芯繉ο蟮倪\動方式分為流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)，還可按應(yīng)用范圍分為水力學(xué)，空氣動力學(xué)等等。理論流體力學(xué)的基本方程是納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程。

納維-斯托克斯方程由一些微分方程組成，通常只有通過一些邊界條件或者通過數(shù)值計算的方式才可以求解。它包含速度, 壓強p,密度ρ, 黏度η，和溫度T等變量，而這些都是位置(x,y,z) 和時間t的函數(shù)。通過質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒，以及熱力學(xué)方程 f(ρ,p,T)和介質(zhì)的材料性質(zhì)我們可以確定這些變量。

流體力學(xué)的基本假設(shè)

流體力學(xué)有一些基本假設(shè)，基本假設(shè)以方程式的形式表示。例如，在三維的不可壓縮流體中，質(zhì)量守恒的假設(shè)的方程式如下：在任意封閉曲面（例如球體）中，由曲面進入封閉曲面內(nèi)的質(zhì)量速率，需和由曲面離開封閉曲面內(nèi)的質(zhì)量速率相等。（換句話說，曲面內(nèi)的質(zhì)量為定值，曲面外的質(zhì)量也是定值）以上方程式可以用曲面上的積分式表示。

流體力學(xué)假設(shè)所有流體滿足以下的假設(shè)：

質(zhì)量守恒

動量守恒

連續(xù)體假設(shè)

在流體力學(xué)中常會假設(shè)流體是不可壓縮流體，也就是流體的密度為一定值。液體可以算是不可壓縮流體，氣體則不是。有時也會假設(shè)流體的黏度為零，此時流體即為非黏性流體。氣體常?？梢暈榉丘ば粤黧w。若流體黏度不為零，而且流體被容器包圍（如管子），則在邊界處流體的速度為零。

流體力學(xué)可以用于哪些方面

流體力學(xué)，是力學(xué)的一門分支，是研究流體（包含氣體、液體及等離子體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。

流體力學(xué)可以按照研究對象的運動方式分為流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)，前者研究處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體，后者研究力對于流體運動的影響。流體力學(xué)按照應(yīng)用范圍，分為水力學(xué)及空氣動力學(xué)等等。流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是以宏觀的角度來考慮系統(tǒng)特性，而不是微觀的考慮系統(tǒng)中每一個粒子的特性。流體力學(xué)（尤甚是流體動力學(xué)）是一個活躍的研究領(lǐng)域，其中有許多尚未解決或部分解決的問題。流體動力學(xué)在數(shù)學(xué)上非常復(fù)雜，最佳的處理方式是利用電腦進行數(shù)值分析。

流體力學(xué)公式有哪些

流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是研究流體（包含氣體及液體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。可按研究對象的運動方式分為流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)，還可按應(yīng)用范圍分為水力學(xué)，空氣動力學(xué)等等。理論流體力學(xué)的基本方程是納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程。

納維-斯托克斯方程由一些微分方程組成，通常只有通過一些邊界條件或者通過數(shù)值計算的方式才可以求解。它包含速度,

壓強p,密度ρ,

黏度η，和溫度T等變量，而這些都是位置(x,y,z)

和時間t的函數(shù)。通過質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒，以及熱力學(xué)方程

f(ρ,p,T)和介質(zhì)的材料性質(zhì)我們可以確定這些變量。

流體力學(xué)的基本假設(shè)

流體力學(xué)有一些基本假設(shè)，基本假設(shè)以方程式的形式表示。例如，在三維的不可壓縮流體中，質(zhì)量守恒的假設(shè)的方程式如下：在任意封閉曲面（例如球體）中，由曲面進入封閉曲面內(nèi)的質(zhì)量速率，需和由曲面離開封閉曲面內(nèi)的質(zhì)量速率相等。（換句話說，曲面內(nèi)的質(zhì)量為定值，曲面外的質(zhì)量也是定值）以上方程式可以用曲面上的積分式表示。

流體力學(xué)假設(shè)所有流體滿足以下的假設(shè)：

質(zhì)量守恒

動量守恒

連續(xù)體假設(shè)

在流體力學(xué)中常會假設(shè)流體是不可壓縮流體，也就是流體的密度為一定值。液體可以算是不可壓縮流體，氣體則不是。有時也會假設(shè)流體的黏度為零，此時流體即為非黏性流體。氣體常?？梢暈榉丘ば粤黧w。若流體黏度不為零，而且流體被容器包圍（如管子），則在邊界處流體的速度為零。v