流体动力学

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在物理和工程,流体动力学是的分支学科流体力学描述的流动的流体-液体和气体。它有几个子学科,包括空气动力学(研究空气和其他运动气体)和流体动力学(研究运动液体)。流体动力学具有广泛的应用,包括计算飞机上的力和力矩,确定通过管道的石油质量流量,预测天气模式,了解星云在星际空间和造型裂变武器引爆。 流体动力学提供了一个系统结构——它是这些实践学科的基础——它包含源自流量测量并用于解决实际问题的经验和半经...

流体动力学

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在物理和工程,流体动力学是的分支学科流体力学描述的流动的流体-液体和气体。它有几个子学科,包括空气动力学(研究空气和其他运动气体)和流体动力学(研究运动液体)。流体动力学具有广泛的应用,包括计算飞机上的力和力矩,确定通过管道的石油质量流量,预测天气模式,了解星云在星际空间和造型裂变武器引爆。

流体动力学提供了一个系统结构——它是这些实践学科的基础——它包含源自流量测量并用于解决实际问题的经验和半经验定律。流体动力学问题的解决方案通常涉及计算流体的各种属性,例如流速、压力、密度和温度,作为空间和时间的函数。

在二十世纪之前,流体动力学是流体动力学的同义词。这仍然反映在一些流体动力学主题的名称中,例如磁流体动力学和流体动力学稳定性,这两者也可以应用于气体。

流体动力学的方程

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流体动力学的基本公理的守恒定律,具体而言,质量守恒,守恒线性动量,以及能量守恒定律(也称为热力学xxx定律)。它们基于经典力学,并在量子力学和广义相对论中进行了修改。它们使用雷诺输运定理表示。

除上述之外,假设流体服从连续介质假设。流体由相互碰撞的分子和固体物体组成。然而,连续统假设假设流体是连续的,而不是离散的。因此,假设密度、压力、温度和流速等特性在空间中的无限小点上是明确定义的,并且从一个点到另一个点连续变化。流体由离散分子组成的事实被忽略。

对于密度足以成为连续体、不包含电离物质且流速相对于光速较小的流体,牛顿流体的动量方程是Navier-Stokes方程——这是一个非线性集的微分方程描述其应力线性依赖于流速梯度和压力的流体的流动。未简化的方程没有一般的封闭形式解,因此它们主要用于计算流体动力学。.方程可以通过多种方式进行简化,所有这些都使它们更容易求解。一些简化允许以封闭形式解决一些简单的流体动力学问题。

多学科类型

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根据马赫制度的流动

虽然许多流动(例如通过管道的水流)以低马赫数(亚音速流动)发生,但许多在空气动力学或涡轮机中具有实际意义的流动发生在M=1的高分数(跨音速流动)或超过它(超音速甚至高超音速流动)。在这些状态下会出现新现象,例如跨音速流动的不稳定性、超音速流动的冲击波或由于高超声速流动中的电离导致的非平衡化学行为。在实践中,这些流态中的每一个都被单独处理。

反应与非反应流

反应流是具有化学反应性的流动,它在许多领域都有应用,包括燃烧(内燃机)、推进装置(火箭、喷气发动机等)、爆炸、火灾和安全危害以及天体物理学。除了保护的质量,动量和能量,保护个体的物种(例如,质量分数甲烷在甲烷燃烧)需要被衍生,其中获得的任何种类的生产/消耗速率通过同时求解方程化学动力学。

磁流体动力学

磁流体动力学是对电磁场中导电流体流动的多学科研究。这种流体的例子包括等离子体、液态金属和盐水。流体流动方程与麦克斯韦电磁方程同时求解。

相对论流体动力学

相对论流体动力学研究宏观和微观流体在与光速相当的大速度下的运动。流体动力学的这个分支占相对论效应无论从狭义相对论和广义相对论。控制方程推导出黎曼几何为闵可夫斯基时空。

压力的概念是研究流体静力学和流体动力学的核心。无论流体是否在运动,都可以为流体中的每个点识别压力。可以使用无液、波登管、水银柱或各种其他方法测量压力。

流体动力学研究中必需的一些术语在其他类似的研究领域中找不到。特别是,流体动力学中使用的一些术语在流体静力学中没有使用。

流体动力学

不可压缩流体动力学中的术语

总压和动压的概念源自伯努利方程,在所有流体流动的研究中都很重要。(这两个压力不是通常意义上的压力——它们不能使用无液膜、波登管或水银柱来测量。)为了避免在流体动力学中提到压力时潜在的歧义,许多作者使用术语静压来区分它与总压和动压。静压与压力相同,可以识别流体流场中的每个点。

流体流中流动停止的点(也就是说,与浸入流体流中的某个固体相邻的速度为零)具有特殊意义。它是如此重要,以至于被赋予了一个特殊的名称——停滞点。驻点处的静压力具有特殊的意义,因此得名——驻点压力。在不可压缩流动中,驻点处的驻点压力等于整个流场的总压力。

可压缩流体动力学中的术语

在可压缩流体中,可以方便地定义所有热力学状态属性(例如总温度、总焓、总声速)的总条件(也称为停滞条件)。这些总流量条件是流体速度的函数,并且在不同运动的参考系中具有不同的值。

为了避免在提及与流体状态而非运动相关的流体属性时可能产生歧义,通常使用前缀“静态”(例如静态温度和静态焓)。在没有前缀的情况下,流体属性是静态条件(因此“密度”和“静态密度”的意思相同)。静态条件与参考系无关。

因为总流动条件是通过等熵使流体静止来定义的,所以没有必要区分总熵和静态熵,因为它们在定义上总是相等的。因此,熵最常被简称为“熵”。

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词条目录
  1. 流体动力学
  2. 流体动力学的方程
  3. 多学科类型
  4. 根据马赫制度的流动
  5. 反应与非反应流
  6. 磁流体动力学
  7. 相对论流体动力学
  8. 不可压缩流体动力学中的术语
  9. 可压缩流体动力学中的术语

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