流体
编辑流体力学Rheology
在物理学中,流体是在施加的剪切应力或外力作用下不断变形(流动)的液体、气体或其他材料。 它们的剪切模量为零,或者更简单地说,是无法抵抗施加在其上的任何剪切力的物质。
尽管流体一词通常包括液相和气相,但其定义因科学分支而异。 固体的定义也各不相同,根据领域的不同,一些物质既可以是流体也可以是固体。 当施加突然的力时,像 Silly Putty 这样的粘弹性流体表现得类似于固体。 具有非常高粘度的物质(例如沥青)也表现得像固体(参见沥青滴实验)。 在粒子物理学中,这个概念被扩展到包括液体或气体以外的流体物质。 医学或生物学中的流体指的是身体的任何液体成分(体液),而在这个意义上不使用液体。 有时,通过饮用或注射进行补液的液体也称为液体(例如,多喝水)。 在水力学中,流体是指具有某些特性的液体的术语,比(液压)油更广泛。
物理
编辑流体显示属性,例如:
这些特性通常是它们无法支持静态平衡剪切应力的函数。 相比之下,固体要么以类似弹簧的恢复力响应剪切,这意味着变形是可逆的,要么它们在变形前需要一定的初始应力(见塑性)。
固体对剪切应力和法向应力(包括压缩应力和拉伸应力)的恢复力作出响应。 相比之下,理想流体仅对法向应力(称为压力)的恢复力做出响应:流体既可以承受压应力(对应于正压),也可以承受拉应力(对应于负压)。 固体和液体都具有抗拉强度,在固体中超过抗拉强度会导致不可逆的变形和断裂,而在液体中会导致空化的发生。
固体和液体都有自由表面,需要一定的自由能才能形成。 对于固体,形成给定单位表面积的自由能量称为表面能,而对于液体,相同数量的自由能称为表面张力。 液体的流动能力导致响应表面张力的行为与固体不同,尽管在平衡状态下两者都会尽量减少其表面能:液体倾向于形成圆形液滴,而纯固体倾向于形成晶体。 气体没有自由表面,可以自由扩散。
建模
编辑在固体中,剪应力是应变的函数,而在流体中,剪应力是应变率的函数。 这种行为的结果是帕斯卡定律,它描述了压力在表征流体状态中的作用。
流体的行为可以用 Navier-Stokes 方程来描述——一组偏微分方程,基于:
- 连续性(质量守恒),
- 线性动量守恒,
- 角动量守恒,
- 能量守恒。
研究流体的学科是流体力学,根据流体是否运动,又分为流体动力学和流体静力学。
流体的分类
根据剪切应力与应变率及其导数之间的关系,流体可具有以下特征之一:
牛顿流体遵循牛顿粘度定律,可称为粘性流体。
流体可以按其可压缩性分类:
- 可压缩流体:导致 vo 的流体
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