流體動力學結構圖(流體動力學)

1.流體動力學

流體動力學（fluid dynamics）是流體力學的一門子學科。流體動力學研究的對象是運動中的流體（流體指液體和氣體）的狀態(tài)與規(guī)律。

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

流體動力學有很大的應用，在預測天氣，計算飛機所受的力和力矩，輸油管線中石油的流率等方面.其中的的一些原理甚至運用在交通工程.交通運輸本身被視為一連續(xù)流體，解決一個典型的流體動力學問題，需要計算流體的多項特性，包括速度，壓力，密度，溫度.

2.流體動力學原理是什么意思

流體力學概念 流體力學是力學的一個獨立分支，是一門研究流體的平衡和流體機械運動規(guī)律及其實際應用的技術科學。

流體力學所研究的基本規(guī)律，有兩大組成部分。一是關于流體平衡的規(guī)律，它研究流體處于靜止（或相對平衡）狀態(tài)時，作用于流體上的各種力之間的關系，這一部分稱為流體靜力學；二是關于流體運動的規(guī)律，它研究流體在運動狀態(tài)時，作用于流體上的力與運動要素之間的關系，以及流體的運動特征與能量轉換等，這一部分稱為流體動力學。

流體力學在研究流體平衡和機械運動規(guī)律時，要應用物理學及理論力學中有關物理平衡及運動規(guī)律的原理，如力系平衡定理、動量定理、動能定理，等等。因為流體在平衡或運動狀態(tài)下，也同樣遵循這些普遍的原理。

所以物理學和理論力學的知識是學習流體力學課程必要的基礎。 目前，根據(jù)流體力學在各個工程領域的應用，流體力學可分為以下三類： 水利類流體力學：面向水工、水動、海洋等； 機械類流體力學：面向機械、冶金、化工、水機等； 土木類流體力學：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。

3.流體動力學的主要種類

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微小，是可以被忽略的。此種流體可以用不可壓縮流進行模擬，否則必須使用更普遍性的可壓縮流方程式進行描述。

數(shù)學上而言，不可壓縮性代表著流體流動時，其密度維持不變，換言之：其中，D / Dt為對流導數(shù)（convective derivative）。此條件可以簡化許多描述流體的方程式，尤其是運用在均勻密度的流體。

對于氣體要辨別是否具有可壓縮性，馬赫數(shù)是一個衡量的指標。概略來說，在馬赫數(shù)低于0.3左右時，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，主要取決于液體本身的性質（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）。 聲學的問題往往需要引進壓縮性的考量，因為聲波算是可壓縮波，其性質會隨著傳播的介質以及壓力變化而改變。

黏性流與非黏性流

當流體內的阻力越大時，描述流體須考慮其黏性的影響。雷諾數(shù)可用來估算流體的黏性對描述問題的影響。所謂史托克流指雷諾數(shù)相當小的流動。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)大代表流體流動時慣性大于黏性。因此當流體有很大的雷諾數(shù)，假設它是非黏性流，忽略其黏性，可當成一個近似。 這樣的近似，當雷諾數(shù)大時，可得到很好的結果。即使在某些不得不考慮黏性的問題（例如邊界問題）。在流體與管壁的邊界，有所謂的不滑移條件，局部會有很大的速率應變率，使得黏性的作用放大而有渦度，黏性因而不可被忽略。 因此，計算管壁對流體的凈力，需要使用黏性方程式。如同達朗白謬論的說明，物體在非黏性流里，不會感受到力。尤拉方程是描述非黏性流的標準方程式。在這種情況，一個常使用的模型，使用尤拉方程描述遠離邊界的流體，在接觸的邊界，使用邊界層方程式。 在某一個流線上，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旋轉渦動，白努利方程可描述整個流動。

穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流

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

層流亂流

當流動由漩渦和明顯的隨機性所主導時，此種流動稱為亂流。當亂流效應不明顯時，則稱為層流。然而值得注意的是，流動之中存在于漩渦不一定表示此流動為亂流──這些現(xiàn)象可能也存在于層流之中。數(shù)學上，亂流通常以雷諾分離法來表示，也就是亂流可以表示成穩(wěn)定流與擾動部分的和。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用在不可壓縮流，可使用雷諾數(shù)對亂流進行模擬（必須在電腦性能與演算結果準確性均能負荷的條件下）。而此數(shù)值直解法的結果，可以解釋所得的實驗資料。

然而，大部分我們有興趣的流動都是雷諾數(shù)比DNS能夠模擬的范圍大上許多，即使電腦性能在接下來的數(shù)十年間持續(xù)發(fā)展，仍難以實行模擬。任何飛行交通工具，要足夠能承載一個人（L >3 m）以72 km/h (20 m/s)的速度移動，此情況都遠遠在DNS能夠模擬的范圍之外（雷諾數(shù)為4百萬）。像是空中巴士A300或波音747這類的飛行工具，機翼上的雷諾數(shù)超過4千萬（以翼弦為標準）。為了能夠處理這些生活上實際的問題，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） 結合了亂流的效果，提供了一個亂流的模型，將額外的動量傳遞表示由雷諾應力所造成；然而，亂流也會增加熱傳與質傳速度。大渦數(shù)值模擬計算（Large eddy simulation,LES）也是一個模擬方法，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)值模擬計算的結合。

4.求一全套“流體力學”學習資料

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

1.1流體力學的研究對象及意義在一定的外界條件下，根據(jù)組成物質的分子間距離和相互作用力強弱的不同，將物質劃分為固體、液體和氣體，而根據(jù)物質的受力和運動特性的不同，物質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，固體恢復到原來的形狀；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，在足夠大的時間內流體將產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。這種變形就是我們所說的流動。

因此，也稱能流動的物質為流體。水、空氣、酒精、滑油等是常見的流體。

流體力學是力學的一個分支，屬于宏觀力學。它的主要任務是研究流體所遵循的宏觀運動規(guī)律以及流體和周圍物體之間的相互作用。

有些物質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)長時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，我們把這類物體統(tǒng)稱為粘彈性流體。流體力學不討論這種具有雙重性的物質，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；氣體既沒有一定的形狀，也沒有一定的體積，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題。以液體為主要研究對象的力學稱為水動力學（Hydrodynamics），以空氣為主要研究對象的力學稱為水動力學（Aerodynamics），兩者結合起來統(tǒng)稱為流體力學（Fluid Mechanics）。

例如，由于液體存在自由表面，艦船在水面上航行時會引起船波，需要研究波浪問題而不計壓縮性，如果艦船在洶涌起伏的水面上（波浪中）航行，還會發(fā)生搖擺和擊水等現(xiàn)象；由于氣體的易壓縮性，飛機、導彈等在空中高速航行時要考慮壓縮性和沖擊波等問題問題。但是，如果研究距水面較遠的深水問題，水面的影響可不予考慮，而研究低速流動的空氣時，也可以不考慮壓縮性，這時，水和空氣遵循大致相同的運動規(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似的。流體力學廣泛應用于航空、船舶、水利、交通、石油、能源、建筑、機械、采礦、冶金、化工等各個領域。

可以說，目前已很難找到一個領域與流體力學沒有或多或少的聯(lián)系。在船舶與海洋工程領域中，船舶與下水運載器的外形設計、穩(wěn)性、操縱性、快速性、耐波性、抨擊、海洋結構物的設計、海浪與海流的描述以及海洋能的開發(fā)和利用等基本問題都向流體力學提出了廣泛的研究課題。

在海岸與港口航道工程中，避風港灣、護岸提壩以及內河航道的設計等都需要流體力學知識。在水利工程中，大型水利樞紐、水庫、水力發(fā)電站的設計和建造、洪峰預測、河流泥沙等問題都是與流體力學緊密聯(lián)系在一起的。

可見流體力學在人們生產(chǎn)和生活中占有重要的地位。就船舶與海洋工程領域而言，流體力學作為一門專業(yè)基礎科學，在推動造船工程技術的發(fā)展，開發(fā)研制低消耗、高效能艦船的過程中起著非常重要的作用。

流體力學是一門古老而富有活力的學科，至今已經(jīng)歷了兩千多年的歷史。流體力學的發(fā)展演變過程大體上經(jīng)歷了四個階段。

（1）靜力學（Hydrostatics）：這一階段以公元兩千多年前Archimedes(B.C.278—212)關于浮力和Pascal(1623—1662)關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題的故事。

（2）理想流體力學（Ideal Fluid Mechanics）：從十七世紀開始一些卓越的數(shù)學家從數(shù)學的角度出發(fā)不計流體的粘性、壓縮性和表面張力研究流體的運動，形成了流體力學學科的雛形——理想流體力學（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，導致了繞流物體阻力為零的佯繆（Paradox）。

(3)流體動力學（Fluid Dynamics）：這一階段研究的特征是理論與實驗的結合。十八世紀突出的成就是由Navier、Hargen、Poiseuille、Stokes等人創(chuàng)立了粘性流體力學。

進入十九世紀在理論研究遇到困難的情況下開始主要依賴于實驗，由Reynolds、Froude、Rayleigh等人創(chuàng)立了相似理論，奠定了實驗流體力學（Experimental Fluid Mechanics）的基礎。隨著Helmholyz、Thomson等人關于旋渦運動的幾個實驗的提出，流體力學的體系逐步趨于完善，也正是這一時期，流體力學與航空、造船等工程實際的聯(lián)系更緊密了，做出重要貢獻的學者還有儒可夫斯基（Joukowski）、庫塔（Kutta）等人。

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