一文读懂流体力学的基本概念

本文精要解析了流体力学的基本概念，了解这些基本概念就可以说对流体力学的入门知识基本掌握了。

流体的概念与固体相对应，指可以流动的物体，包括液体和气体。流体力学 (Fluid mechanics) 是力学的一门分支，研究流体现象及相关力学行为，由简单到复杂大致分为三部分：

• 流体静力学 (Hydrostatics)：研究静止的流体。
• 流体运动学 (Fluid kinematics)：研究流体运动的几何性质，不涉及力。
• 流体动力学 (Fluid dynamics)：研究流体运动的力学性质。

计算流体力学云图

流体力学有一个最基础的模型——欧拉在1753年提出的“连续介质模型”，意思就是说流体是连续的，这样研究的时候也不需要研究到分子级别，而只是将流体划分为非常小的“流体微元”，这就与高等数学的基础“连续”不谋而合。

流体的基本性质

• 可压缩性：液体和气体都是可压缩的，温度越高，体积越大（使用体胀系数表征）；压强越高，体积越小（使用体积模量表征）。实际的应用中，大多数液体的可压缩性非常小，尤其不要求很高的计算精度时，基本都可以忽略。

• 粘性：胶水、机油给人的感觉就是粘粘的，这就是粘性，而实际上，所有流体都有粘性。当流体运动起来，流体微元之间存在相对的运动，这就会在流体内部产生摩擦力，阻碍了流动，这就是粘性。粘性的机理有两方面：一是流体分子间存在的吸引力，试图拉着流的快的部分不让它走；二是流体分子运动时互相之间产生撞击，也阻碍了流动。液体粘性机理以前者为主，而气体则以后者为主。

牛顿内摩擦定律

牛顿内摩擦定律

定律说，切应力等于粘度与速度梯度的乘积，速度差越大，产生的切应力也越大。上边的粘度被称为动力粘度，单位是厘泊 (cP)，20摄氏度时水的粘度就是1cP。还有一种粘度的表示方式叫做运动粘度ν，单位为厘斯托 (cSt)，是一个没有力学参数的量纲，运动粘度就是动力粘度除以密度。

粘度受温度如何影响呢？有意思的是，对于液体与气体，这个规律是不同的。对于液体，温度越高粘度越小；对于气体则是温度越高，粘度越大。其实只要根据上述两者粘性的机理去思考，就明白为什么是这样的了。

有时候在实际应用中，我们认为粘度不影响分析问题，这时假设其粘度为0，那么我们称之为“理想流体”。

流体的类型有许多，如果满足上述牛顿内摩擦定律的，我们称之为“牛顿流体”，否则为“非牛顿流体”。