流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)圖(流體動(dòng)力學(xué))

1.流體動(dòng)力學(xué)

流體動(dòng)力學(xué)（fluid dynamics）是流體力學(xué)的一門(mén)子學(xué)科。流體動(dòng)力學(xué)研究的對(duì)象是運(yùn)動(dòng)中的流體（流體指液體和氣體）的狀態(tài)與規(guī)律。

流體動(dòng)力學(xué)底下的小學(xué)科包括有空氣動(dòng)力學(xué)（研究氣體）和 hydrodynamics（研究液體）。

流體動(dòng)力學(xué)有很大的應(yīng)用，在預(yù)測(cè)天氣，計(jì)算飛機(jī)所受的力和力矩，輸油管線中石油的流率等方面.其中的的一些原理甚至運(yùn)用在交通工程.交通運(yùn)輸本身被視為一連續(xù)流體，解決一個(gè)典型的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，需要計(jì)算流體的多項(xiàng)特性，包括速度，壓力，密度，溫度.

2.流體動(dòng)力學(xué)原理是什么意思

流體力學(xué)概念 流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，是一門(mén)研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。

流體力學(xué)所研究的基本規(guī)律，有兩大組成部分。一是關(guān)于流體平衡的規(guī)律，它研究流體處于靜止（或相對(duì)平衡）狀態(tài)時(shí)，作用于流體上的各種力之間的關(guān)系，這一部分稱(chēng)為流體靜力學(xué)；二是關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，它研究流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，作用于流體上的力與運(yùn)動(dòng)要素之間的關(guān)系，以及流體的運(yùn)動(dòng)特征與能量轉(zhuǎn)換等，這一部分稱(chēng)為流體動(dòng)力學(xué)。

流體力學(xué)在研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，要應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)中有關(guān)物理平衡及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原理，如力系平衡定理、動(dòng)量定理、動(dòng)能定理，等等。因?yàn)榱黧w在平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，也同樣遵循這些普遍的原理。

所以物理學(xué)和理論力學(xué)的知識(shí)是學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)。 目前，根據(jù)流體力學(xué)在各個(gè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，流體力學(xué)可分為以下三類(lèi)： 水利類(lèi)流體力學(xué)：面向水工、水動(dòng)、海洋等； 機(jī)械類(lèi)流體力學(xué)：面向機(jī)械、冶金、化工、水機(jī)等； 土木類(lèi)流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。

3.流體動(dòng)力學(xué)的主要種類(lèi)

可壓縮流與不可壓縮流

所有流體某種程度上而言都是可壓縮的，換言之，壓力或溫度的改變會(huì)造成流體密度的改變。然而，許多情況下，壓力或溫度改變所造成的密度改變相當(dāng)微小，是可以被忽略的。此種流體可以用不可壓縮流進(jìn)行模擬，否則必須使用更普遍性的可壓縮流方程式進(jìn)行描述。

數(shù)學(xué)上而言，不可壓縮性代表著流體流動(dòng)時(shí)，其密度維持不變，換言之：其中，D / Dt為對(duì)流導(dǎo)數(shù)（convective derivative）。此條件可以簡(jiǎn)化許多描述流體的方程式，尤其是運(yùn)用在均勻密度的流體。

對(duì)于氣體要辨別是否具有可壓縮性，馬赫數(shù)是一個(gè)衡量的指標(biāo)。概略來(lái)說(shuō)，在馬赫數(shù)低于0.3左右時(shí)，可以用不可壓縮流的行為解釋。至于液體，較符合可壓縮流還是不可壓縮流的性質(zhì)，主要取決于液體本身的性質(zhì)（特別是液體的臨界壓力與臨界溫度）和流體的條件（液體壓力是否接近和液體臨界壓力）。 聲學(xué)的問(wèn)題往往需要引進(jìn)壓縮性的考量，因?yàn)槁暡ㄋ闶强蓧嚎s波，其性質(zhì)會(huì)隨著傳播的介質(zhì)以及壓力變化而改變。

黏性流與非黏性流

當(dāng)流體內(nèi)的阻力越大時(shí)，描述流體須考慮其黏性的影響。雷諾數(shù)可用來(lái)估算流體的黏性對(duì)描述問(wèn)題的影響。所謂史托克流指雷諾數(shù)相當(dāng)小的流動(dòng)。在此情況，流體的慣性相較于黏性可忽略。而流體的雷諾數(shù)大代表流體流動(dòng)時(shí)慣性大于黏性。因此當(dāng)流體有很大的雷諾數(shù)，假設(shè)它是非黏性流，忽略其黏性，可當(dāng)成一個(gè)近似。 這樣的近似，當(dāng)雷諾數(shù)大時(shí)，可得到很好的結(jié)果。即使在某些不得不考慮黏性的問(wèn)題（例如邊界問(wèn)題）。在流體與管壁的邊界，有所謂的不滑移條件，局部會(huì)有很大的速率應(yīng)變率，使得黏性的作用放大而有渦度，黏性因而不可被忽略。 因此，計(jì)算管壁對(duì)流體的凈力，需要使用黏性方程式。如同達(dá)朗白謬論的說(shuō)明，物體在非黏性流里，不會(huì)感受到力。尤拉方程是描述非黏性流的標(biāo)準(zhǔn)方程式。在這種情況，一個(gè)常使用的模型，使用尤拉方程描述遠(yuǎn)離邊界的流體，在接觸的邊界，使用邊界層方程式。 在某一個(gè)流線上，將尤拉方程積分，可得到白努利方程。如果流體每一處都是無(wú)旋轉(zhuǎn)渦動(dòng)，白努利方程可描述整個(gè)流動(dòng)。

穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流

流體速度和壓力隨時(shí)間而改變的流動(dòng)稱(chēng)為非穩(wěn)定流。非穩(wěn)定流的速度和壓力不僅要考慮位置，同時(shí)也要考慮時(shí)間的影響。流體速度和壓力均不隨時(shí)間而改變的流動(dòng)稱(chēng)為穩(wěn)定流。

層流亂流

當(dāng)流動(dòng)由漩渦和明顯的隨機(jī)性所主導(dǎo)時(shí)，此種流動(dòng)稱(chēng)為亂流。當(dāng)亂流效應(yīng)不明顯時(shí)，則稱(chēng)為層流。然而值得注意的是，流動(dòng)之中存在于漩渦不一定表示此流動(dòng)為亂流──這些現(xiàn)象可能也存在于層流之中。數(shù)學(xué)上，亂流通常以雷諾分離法來(lái)表示，也就是亂流可以表示成穩(wěn)定流與擾動(dòng)部分的和。亂流遵守納維-斯托克斯方程式。數(shù)值直解法（Direct numerical simulation,DNS），基于納維-斯托克斯方程式可應(yīng)用在不可壓縮流，可使用雷諾數(shù)對(duì)亂流進(jìn)行模擬（必須在電腦性能與演算結(jié)果準(zhǔn)確性均能負(fù)荷的條件下）。而此數(shù)值直解法的結(jié)果，可以解釋所得的實(shí)驗(yàn)資料。

然而，大部分我們有興趣的流動(dòng)都是雷諾數(shù)比DNS能夠模擬的范圍大上許多，即使電腦性能在接下來(lái)的數(shù)十年間持續(xù)發(fā)展，仍難以實(shí)行模擬。任何飛行交通工具，要足夠能承載一個(gè)人（L >3 m）以72 km/h (20 m/s)的速度移動(dòng)，此情況都遠(yuǎn)遠(yuǎn)在DNS能夠模擬的范圍之外（雷諾數(shù)為4百萬(wàn)）。像是空中巴士A300或波音747這類(lèi)的飛行工具，機(jī)翼上的雷諾數(shù)超過(guò)4千萬(wàn)（以翼弦為標(biāo)準(zhǔn)）。為了能夠處理這些生活上實(shí)際的問(wèn)題，需要建立亂流模型。雷諾平均納維-斯托克斯方程式（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations） 結(jié)合了亂流的效果，提供了一個(gè)亂流的模型，將額外的動(dòng)量傳遞表示由雷諾應(yīng)力所造成；然而，亂流也會(huì)增加熱傳與質(zhì)傳速度。大渦數(shù)值模擬計(jì)算（Large eddy simulation,LES）也是一個(gè)模擬方法，外觀與分離渦流模型（detached eddy simulation, DES）甚相似，是一種亂流模擬與大渦數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)合。

4.求一全套“流體力學(xué)”學(xué)習(xí)資料

第1章 緒 論本章首先引入流體的連續(xù)性假設(shè)，然后介紹流體的流動(dòng)性、粘性、可壓縮性等物理性質(zhì)以及作用在流體上的力。

1.1流體力學(xué)的研究對(duì)象及意義在一定的外界條件下，根據(jù)組成物質(zhì)的分子間距離和相互作用力強(qiáng)弱的不同，將物質(zhì)劃分為固體、液體和氣體，而根據(jù)物質(zhì)的受力和運(yùn)動(dòng)特性的不同，物質(zhì)又可劃分為固體和流體。流體包括液體和氣體。

固體既能承受法向力（包括壓力和拉力），又能承受切向力，在彈性范圍內(nèi)作用力使固體產(chǎn)生有限的變形，作用力消失，變形消失，固體恢復(fù)到原來(lái)的形狀；流體只能承受壓力，不能承受拉力，在靜止流體中只要有切向力的作用，不管它多么小，在足夠大的時(shí)間內(nèi)流體將產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。這種變形就是我們所說(shuō)的流動(dòng)。

因此，也稱(chēng)能流動(dòng)的物質(zhì)為流體。水、空氣、酒精、滑油等是常見(jiàn)的流體。

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，屬于宏觀力學(xué)。它的主要任務(wù)是研究流體所遵循的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及流體和周?chē)矬w之間的相互作用。

有些物質(zhì)具有流體和固體的雙重特性。例如我們熟知的瀝青，塊狀瀝青表現(xiàn)為固體，而經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下的瀝青又具有流體的特性。

又如面條也有固體和流體的雙重特性，我們把這類(lèi)物體統(tǒng)稱(chēng)為粘彈性流體。流體力學(xué)不討論這種具有雙重性的物質(zhì)，只討論像水、空氣這樣的“純粹流體”。

液體和氣體雖同為流體，具有共性，但又各有特性。液體雖無(wú)一定的形狀，但具有一定的體積，不易被壓縮，在于氣體的交界面上存在自由表面；氣體既沒(méi)有一定的形狀，也沒(méi)有一定的體積，易于被壓縮，不存在自由表面。

液體和氣體的特性決定了各自需要研究的特殊問(wèn)題。以液體為主要研究對(duì)象的力學(xué)稱(chēng)為水動(dòng)力學(xué)（Hydrodynamics），以空氣為主要研究對(duì)象的力學(xué)稱(chēng)為水動(dòng)力學(xué)（Aerodynamics），兩者結(jié)合起來(lái)統(tǒng)稱(chēng)為流體力學(xué)（Fluid Mechanics）。

例如，由于液體存在自由表面，艦船在水面上航行時(shí)會(huì)引起船波，需要研究波浪問(wèn)題而不計(jì)壓縮性，如果艦船在洶涌起伏的水面上（波浪中）航行，還會(huì)發(fā)生搖擺和擊水等現(xiàn)象；由于氣體的易壓縮性，飛機(jī)、導(dǎo)彈等在空中高速航行時(shí)要考慮壓縮性和沖擊波等問(wèn)題問(wèn)題。但是，如果研究距水面較遠(yuǎn)的深水問(wèn)題，水面的影響可不予考慮，而研究低速流動(dòng)的空氣時(shí)，也可以不考慮壓縮性，這時(shí)，水和空氣遵循大致相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

例如，空氣中的氣球和深水下的水雷，空氣中的飛船和水下的水滴形潛艇等等的受力情況是類(lèi)似的。流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于航空、船舶、水利、交通、石油、能源、建筑、機(jī)械、采礦、冶金、化工等各個(gè)領(lǐng)域。

可以說(shuō)，目前已很難找到一個(gè)領(lǐng)域與流體力學(xué)沒(méi)有或多或少的聯(lián)系。在船舶與海洋工程領(lǐng)域中，船舶與下水運(yùn)載器的外形設(shè)計(jì)、穩(wěn)性、操縱性、快速性、耐波性、抨擊、海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)、海浪與海流的描述以及海洋能的開(kāi)發(fā)和利用等基本問(wèn)題都向流體力學(xué)提出了廣泛的研究課題。

在海岸與港口航道工程中，避風(fēng)港灣、護(hù)岸提壩以及內(nèi)河航道的設(shè)計(jì)等都需要流體力學(xué)知識(shí)。在水利工程中，大型水利樞紐、水庫(kù)、水力發(fā)電站的設(shè)計(jì)和建造、洪峰預(yù)測(cè)、河流泥沙等問(wèn)題都是與流體力學(xué)緊密聯(lián)系在一起的。

可見(jiàn)流體力學(xué)在人們生產(chǎn)和生活中占有重要的地位。就船舶與海洋工程領(lǐng)域而言，流體力學(xué)作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)，在推動(dòng)造船工程技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)研制低消耗、高效能艦船的過(guò)程中起著非常重要的作用。

流體力學(xué)是一門(mén)古老而富有活力的學(xué)科，至今已經(jīng)歷了兩千多年的歷史。流體力學(xué)的發(fā)展演變過(guò)程大體上經(jīng)歷了四個(gè)階段。

（1）靜力學(xué)（Hydrostatics）：這一階段以公元兩千多年前Archimedes(B.C.278—212)關(guān)于浮力和Pascal(1623—1662)關(guān)于靜水壓力的研究為代表。至今還流傳著Archimedes利用浮力原理解決皇冠摻銀問(wèn)題的故事。

（2）理想流體力學(xué)（Ideal Fluid Mechanics）：從十七世紀(jì)開(kāi)始一些卓越的數(shù)學(xué)家從數(shù)學(xué)的角度出發(fā)不計(jì)流體的粘性、壓縮性和表面張力研究流體的運(yùn)動(dòng)，形成了流體力學(xué)學(xué)科的雛形——理想流體力學(xué)（Hydrodynamics,Hydraulics），這一階段以伯努利（Bernoulli）(1700—1782)、歐拉（Euler）(1707—1783)和Largrange的工作最具代表性。但由于忽略粘性，導(dǎo)致了繞流物體阻力為零的佯繆（Paradox）。

(3)流體動(dòng)力學(xué)（Fluid Dynamics）：這一階段研究的特征是理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。十八世紀(jì)突出的成就是由Navier、Hargen、Poiseuille、Stokes等人創(chuàng)立了粘性流體力學(xué)。

進(jìn)入十九世紀(jì)在理論研究遇到困難的情況下開(kāi)始主要依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)，由Reynolds、Froude、Rayleigh等人創(chuàng)立了相似理論，奠定了實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)（Experimental Fluid Mechanics）的基礎(chǔ)。隨著Helmholyz、Thomson等人關(guān)于旋渦運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的提出，流體力學(xué)的體系逐步趨于完善，也正是這一時(shí)期，流體力學(xué)與航空、造船等工程實(shí)際的聯(lián)系更緊密了，做出重要貢獻(xiàn)的學(xué)者還有儒可夫斯基（Joukowski）、庫(kù)塔（Kutta）等人。

自二十世紀(jì)初由Plandtl創(chuàng)立了邊界層理論以及隨著湍流理論的出現(xiàn)流體力學(xué)進(jìn)入了與工程實(shí)際相結(jié)合的蓬勃發(fā)展的時(shí)期，因此Plandtl和Von Karmann也成為了近代流體力學(xué)的奠基人。在我國(guó)著名的力。