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更新時間: 2013-07-27

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流體是氣體和液體的總稱。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、環流等)乃至地球深處熔漿的流動都是流體的研究內容。

流體 -概念
流體流體
是液體和氣體的總稱。流體是由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構成的,它的基本特徵是沒有一定的形狀和具有流動性。流體都有一定的可壓縮性,液體可壓縮性很小,而氣體的可壓縮性較大,在流體的形狀改變時,流體各層之間也存在一定的運動阻力(即粘滯性)。當流體的粘滯性和可壓縮性很小時,可近似看作是理想流體,它是人們為研究流體的運動和狀態而引入的一個理想模型。

固體和流體具有以下不同的特徵:在靜止狀態下固體的作用面上能夠同時承受剪切應力和法嚮應力。而流體只有在運動狀態下才能夠同時有法嚮應力和切嚮應力的作用,靜止狀態下其作用面上僅能夠承受法嚮應力,這一應力是壓縮應力即靜壓強。固體在力的作

流體流體

用下發生變形,在彈性極限內變形和作用力之間服從虎克定律,即固體的變形量和作用力的大小成正比。而流體則是角變形速度和剪切應力有關,層流和紊流狀態它們之間的關係有所不同,在層流狀態下,二者之間服從牛頓內摩擦定律。當作用力停止作用,固體可以恢復原來的形狀,流體只能夠停止變形,而不能返回原來的位置。固體有一定的形狀,流體由於其變形所需的剪切力非常小,所以很容易使自身的形狀適應容器的形狀,在一定的條件下並可以維持下來。

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流體 -劃分
流體流體
與液體相比氣體更容易變形,因為氣體分子比液體分子稀疏得多。在一定條件下,氣體和液體的分子大小並無明顯差異,但氣體所佔的體積是同質量液體的103倍。所以氣體的分子距與液體相比要大得多,分子間的引力非常微小,分子可以自由運動,極易變形,能夠充滿所能到達的全部空間。液體的分子距很小,分子間的引力較大,分子間相互制約,分子可以作無一定周期和頻率的振動,在其他分子間移動,但不能像氣體分子那樣自由移動,因此,液體的流動性不如氣體。在一定條件下,一定質量的液體有一定的體積,並取容器的形狀,但不能像氣體那樣充滿所能達到的全部空間。液體和氣體的交界面稱為自由液面。

從阿基米德到現在的二千多年,特別是從20世紀以來,流體力學已發展成為基礎科學體系的一部分,同時又在工業、農業、交通運輸、天文學、地學、生物學、醫學等方面得到廣泛應用。人們一方面將根據工程技術方面的需要進行流體力學應用性的研究,另一方面將更深入地開展基礎研究以探求流體的複雜流動規律和機理。后一方面主要包括:通過湍流的理論和實驗研究,了解其結構並建立計算模式;多相流動;流體和結構物的相互作用;邊界層流動和分離;生物地學和環境流體流動等問題;有關各種實驗設備和儀器等。

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流體 -學術
流體流體
流體力學是在人類同自然界作鬥爭和在生產實踐中逐步發展起來的。古時中國有大禹治水疏通江河的傳說;秦朝李冰父子帶領勞動人民修建的都江堰,至今還在發揮著作用;大約與此同時,古羅馬人建成了大規模的供水管道系統等等。

對流體力學學科的形成作出第一個貢獻的是古希臘的阿基米德,他建立了包括物理浮力定律和浮體穩定性在內的液體平衡理論,奠定了流體靜力學的基礎。此後千餘年間,流體力學沒有重大發展。直到15世紀,義大利達·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題;17世紀,帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學,卻是隨著經典力學建立了速度、加速度,力、流場等概念,以及質量、動量、能量三個守恆定律的奠定之後才逐步形成的。

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17世紀,力學奠基人牛頓研究了在流體中運動的物體所受到的阻力,得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關係。他針對粘性流體運動時的內摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是,牛頓還沒有建立起流體動力學的理論基礎,他提出的許多力學模型和結論同實際情形還有較大的差別。之後,法國皮托發明了測量流速的皮託管;達朗貝爾對運河中船隻的阻力進行了許多實驗工作,證實了阻力同物體運動速度之間的平方關係;瑞士的歐拉採用了連續介質的概念,把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中,建立了歐拉方程,正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動;伯努利從經典力學的能量守恆出發,研究供水管道中水的流動,精心地安排了實驗並加以分析,得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關係——伯努利方程。

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流體生物流體
歐拉方程和伯努利方程的建立,是流體動力學作為一個分支學科建立的標誌,從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。從18世紀起,位勢流理論有了很大進展,在水波、潮汐、渦旋運動、聲學等方面都闡明了很多規律。法國拉格朗日對於無旋運動,德國赫爾姆霍茲對於渦旋運動作了不少研究……。在上述的研究中,流體的粘性並不起重要作用,即所考慮的是無粘流體。這種理論當然闡明不了流體中粘性的效應。

19世紀,工程師們為了解決許多工程問題,尤其是要解決帶有粘性影響的問題。於是他們部分地運用流體力學,部分地採用歸納實驗結果的半經驗公式進行研究,這就形成了水力學,至今它仍與流體力學并行地發展。1822年,納維建立了粘性流體的基本運動方程;1845年,斯托克斯又以更合理的基礎導出了這個方程,並將其所涉及的宏觀力學基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程),它是流體動力學的理論基礎。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時的特例。普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化,從推理、數學論證和實驗測量等各個角度,建立了邊界層理論,能實際計算簡單情形下,邊界層內流動狀態和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念,並廣泛地應用到飛機和汽輪機的設計中去。這一理論既明確了理想流體的適用範圍,又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統一。

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20世紀初,飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發展。航空事業的發展,期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分佈、飛行器的受力狀況和阻力等問題,這就促進了流體力學在實驗和理論分析方面的發展。20世紀初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學家,開創了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論,闡明了機翼怎樣會受到舉力,從而空氣能把很重的飛機托上天空。機翼理論的正確性,使人們重新認識無粘流體的理論,肯定了它指導工程設計的重大意義。

機翼理論和邊界層理論的建立和發展是流體力學的一次重大進展,它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結合起來。隨著汽輪機的完善和飛機飛行速度提高到每秒50米以上,又迅速擴展了從19世紀就開始的,對空氣密度變化效應的實驗和理論研究,為高速飛行提供了理論指導。20世紀40年代以後,由於噴氣推進和火箭技術的應用,飛行器速度超過聲速,進而實現了航天飛行,使氣體高速流動的研究進展迅速,形成了氣體動力學、物理、化學流體動力學等分支學科。

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以這些理論為基礎,20世紀40年代,關於炸藥或天然氣等介質中發生的爆轟波又形成了新的理論,為研究原子彈、炸藥等起爆后,激波在空氣或水中的傳播,發展了爆炸波理論。此後,流體力學又發展了許多分支,如高超聲速空氣動力學、超音速空氣動力學、稀薄空氣動力學、電磁流體力學、計算流體力學、兩相(氣液或氣固)流等等。

這些巨大進展是和採用各種數學分析方法和建立大型、精密的實驗設備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起,電子計算機不斷完善,使原來用分析方法難以進行研究的課題,可以用數值計算方法來進行,出現了計算流體力學這一新的分支學科。與此同時,由於民用和軍用生產的需要,液體動力學等學科也有很大進展。20世紀60年代,根據結構力學和固體力學的需要,出現了計算彈性力學問題的有限元法。經過十多年的發展,有限元分析這項新的計算方法又開始在流體力學中應用,尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為複雜問題中,優越性更加顯著。近年來又開始了用有限元方法研究高速流的問題,也出現了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。從20世紀60年代起,流體力學開始了流體力學和其他學科的互相交叉滲透,形成新的交叉學科或邊緣學科,如物理-化學流體動力學、磁流體力學等;原來基本上只是定性地描述的問題,逐步得到定量的研究,生物流變學就是一個例子。

流體 -研究
流體流體力學
流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產活動中隨時隨地都可遇到流體,所以流體力學是與人類日常生活和生產事業密切相關的。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、環流等)乃至地球深處熔漿的流動都是流體力學的研究內容。20世紀初,世界上第一架飛機出現以後,飛機和其他各種飛行器得到迅速發展。20世紀50年代開始的航天飛行,使人類的活動範圍擴展到其他星球和銀河系。航空航天事業的蓬勃發展是同流體力學的分支學科——空氣動力學和氣體動力學的發展緊密相連的。這些學科是流體力學中最活躍、最富有成果的領域。

石油和天然氣的開採,地下水的開發利用,要求人們了解流體在多孔或縫隙介質中的運動,這是流體力學分支之一——滲流力學研究的主要對象。滲流力學還涉及土壤鹽鹼化的防治,化工中的濃縮、分離和多孔過濾,燃燒室的冷卻等技術問題。燃燒離不開氣體,這是有化學反應和熱能變化的流體力學問題,是物理、化學流體動力學的內容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過程,涉及氣體動力學,從而形成了爆炸力學。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粒或液體中帶有氣泡等問題,這類問題是多相流體力學研究的範圍。

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律。研究等離子體的運動規律的學科稱為等離子體動力學和電磁流體力學,它們在受控熱核反應、磁流體發電、宇宙氣體運動等方面有廣泛的應用。

風對建築物、橋樑、電纜等的作用使它們承受載荷和激發振動;廢氣和廢水的排放造成環境污染;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科稱為環境流體力學(其中包括環境空氣動力學、建築空氣動力學)。這是一門涉及經典流體力學、氣象學、海洋學和水力學、結構動力學等的新興邊緣學科。

生物流變學研究人體或其他動植物中有關的流體力學問題,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液的輸送。此外,還研究鳥類在空中的飛翔,動物在水中的遊動,等等。
因此,流體力學既包含自然科學的基礎理論,又涉及工程技術科學方面的應用。此外,如從流體作用力的角度,則可分為流體靜力學、流體運動學和流體動力學;從對不同「力學模型」的研究來分,則有理想流體動力學、粘性流體動力學、不可壓縮流體動力學、可壓縮流體動力學和非牛頓流體力學等。

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