流体运动是研究液体与气体宏观流动规律的学科领域。流体具有流动性且无固定形状,其基本属性包括可压缩性(液体较小、气体较大)与粘滞性。
理想流体模型通过忽略粘滞性与压缩性简化分析,而实际流体运动需考虑
牛顿粘滞定律及
雷诺数判据。
流体由液体和气体构成,其分子结构导致在剪切力作用下发生持续变形,形成与固体的本质差异。可压缩性表现为液体体积变化幅度微小,而气体受压强影响显著;粘滞性则体现流体内部摩擦阻力的大小,液体粘滞系数随温度升高而降低,气体反之。
基于不可压缩与无粘滞假设建立的理想模型,适用于低速流动场景的近似分析。该模型依托
连续介质假设,将流体视为由连续分布的质点构成,通过极限体积定义密度等宏观量。当
微机电系统等特殊场景的特征尺寸小于
分子平均自由程时,
连续介质模型不再适用。
欧拉描述法通过固定空间点的参数变化表征流体运动,结合
流线(流体粒子瞬时运动轨迹)与
流管(流线围成的封闭管状结构)进行可视化分析。稳定流动状态下,流线形态不随时间改变,体积流量守恒定律体现为S1V1=S2V2的连续性方程。
伯努利方程揭示沿流线单位体积流体机械能守恒原理,其表达式为P+1/2ρv2+ρgh=常量,应用于抽水机吸水高度计算、
文丘里流量计设计等领域。实际工程中需采用修正方程P1+1/2ρv12+ρgh1=P2+1/2ρv22+ρgh2+hf,其中hf表征粘滞性导致的能量损失。
牛顿粘滞定律提出
剪切应力与
速度梯度成正比,比例系数为
粘滞系数,泊肃叶流量公式据此推导圆管层流流量与管径四次方的关系。雷诺数Re=ρvd/μ作为流动状态判据,当超过临界值(通常约2300)时层流转为
湍流。
包含实验观测、理论建模与数值计算三类方法:实验提供现象与数据支持,理论分析建立普适性方程,
计算流体力学(
CFD)通过数值求解
纳维-斯托克斯方程实现复杂流动模拟。三种方法相互验证形成完整的流体运动研究体系。