本文譯自機械設計工程師haku的博客。

目錄

1. 一、什麽(me) 是流體(ti) 力學

2. 二、運用流體(ti) 力學知識可做什麽(me) ？

3. 三、流體(ti) 的分類

   1. 理想流體(ti) 與(yu) 真實流體(ti)

   2. 連續和不連續流體(ti)

   3. 穩定流和不穩定流

   4. 牛頓流體(ti) 和非牛頓流體(ti)

   5. 超音速流

一、什麽是流體力學

 

流體(ti) 力學就是“處理流動物體(ti) 的動力學” ，“流動物體(ti) ”是指具有不同性質的液體(ti) 和氣體(ti) 。簡化來說，氣體(ti) 充滿了空隙，因此分子在其中飛來飛去。液體(ti) 是鬆散結合的分子，沒有間隙。因此，當氣體(ti) 被壓縮時，其體(ti) 積和密度會(hui) 發生變化，而當液體(ti) 被壓縮時，其體(ti) 積和密度幾乎不會(hui) 發生變化。氣體(ti) 和液體(ti) 之間物理性質的這種差異也會(hui) 影響流體(ti) 動力學的性質。

 

例如，當溫度升高時，容器中的氣體(ti) 分子會(hui) 增加其內(nei) 能並飛得更快，結果，氣體(ti) 分子與(yu) 容器壁碰撞，增加了容器內(nei) 的壓力；如果容器是可變的，它會(hui) 膨脹並增加體(ti) 積。另一方麵，對於(yu) 液體(ti) ，這些變化可以忽略不計。

 

由上可知，氣體是可壓縮的，液體是不可壓縮的。在學習流體力學時理解這些概念很重要。

• 氣體：可壓縮
• 液體：無壓縮性（incompressibility）

二、運用流體力學知識可以做什麽？

 

流體(ti) 動力學知識用於(yu) “處理液體(ti) 和氣體(ti) 的產(chan) 品的設計”。具體(ti) 例子有汽車、飛機、水管、煤氣管、冷卻發熱部件的冷卻裝置（水冷、風冷）等。例如，在飛機上，我們(men) 使用流體(ti) 動力學知識來計算空氣阻力和浮力。對於(yu) 水管和氣管，重要的是設計壓力損失小的管道。此外，冷卻係統根據流量和速度計算“冷卻效率”。

 

通過這種方式，我們(men) 周圍的許多產(chan) 品都使用了流體(ti) 動力學知識。可以說，流體(ti) 力學是從(cong) 事機械設計工作的必備知識。

三、流體的分類

 

1、理想流體與真實流體

沒有粘度或壓縮性的流體(ti) 稱為(wei) 理想流體(ti) ，具有粘度的流體(ti) 稱為(wei) 真實流體(ti) 。例如日常生活中常見的水和空氣，都是真實的流體(ti) 。河流中的水流沿河岸速度減慢，離開河岸時速度加快。渦流也可能發生在河流中。這些是由於(yu) 流體(ti) 的粘性而發生的現象，是真實流體(ti) 的特性。另一方麵，理想流體(ti) 被定義(yi) 為(wei) 沒有粘度並且不能通過施加力來壓縮的流體(ti) 。在前麵的河流示例中，沒有粘性也沒有阻力，因此河岸和河中之間的速度沒有變化。此外，由於(yu) 流體(ti) 之間沒有摩擦（剪切力），因此不會(hui) 產(chan) 生渦流。

 

水和空氣都不是理想流體(ti) ，但緩緩彎曲的水流和低速氣流可以近似為(wei) 理想流體(ti) 。

• 理想流體・・・非粘性、不可壓縮的流體
• 真實流體・・・具有粘性和壓縮性的真實流體

2、連續和不連續流體

流體(ti) 質量連續變化的情況稱為(wei) 連續流體(ti) ，質量不連續變化的情況稱為(wei) 不連續流體(ti) 。例如，地表（0 米高度）的空氣是連續流體(ti) ，但 100 公裏高度的空氣是不連續流體(ti) 。

 

更詳細地解釋一下，大氣壓力隨著高度的增加而降低。因此，100 公裏高空的空氣每單位體(ti) 積的分子比靠近地表的空氣少。氣體(ti) 分子在空間中隨機飛來飛去，因此如果分子數量減少，分子數量會(hui) 因位置而異。換句話說，空間中的質量（分子數）不再均勻分布。在這裏，我們(men) 使用努森數 Kn來確定流體(ti) 是否為(wei) 連續介質。克努森數由下式表示，如果“Kn < 0.01” ，流體(ti) 是連續的。Kn = λ/L　（λ：分子平均自由程，L：代表長度）
基本上，處理流體(ti) 力學的公式和定理隻適用於(yu) 連續流體(ti) 。請記住，具有高克努森數的不連續流體(ti) （例如高空的空氣）不在一般流體(ti) 動力學的範圍內(nei) 。

• 連續流體・・・質量流量連續變化的流動（Kn＜1）
• 不連續流體・・・質量流量不連續變化的流動

3、穩定流和不穩定流

狀態不隨時間變化的流稱為(wei) 穩態流，狀態隨時間變化的流稱為(wei) 非穩態流。這裏的流體(ti) 狀態指的是速度、壓力、流速和流動方向。例如，在陽光明媚的日子裏，微風中的一條河流在條件不變的情況下穩定流動。另一方麵，在台風日，河流流量不穩定，因為(wei) 流量和流速會(hui) 根據降水量和風速而變化。

 

在機械設計中，所需的規格和設計會(hui) 根據是否考慮穩態（穩定狀態）或非穩態（流量隨時間變化）而變化。因此，有必要考慮使用條件和環境來設計產(chan) 品。

• 穩態流：狀態（速度、流量、流向）不隨時間變化的流
• 不穩定流：隨時間改變狀態（速度、流速、流向）的流

4、牛頓流體和非牛頓流體

水、空氣等粘度（粘度/粘度係數）恒定的流體稱為牛頓流體，粘度隨流速變化的流體稱為非牛頓流體。例如，澱粉糖漿、油漆和混凝土等高粘度流體是非牛頓流體。流體動力學中的公式和定理可以應用於牛頓流體。但非牛頓流體不能直接使用牛頓流體中的公式。

• 牛頓流體・・・粘度恒定的流體
• 非牛頓流體・・・粘度隨流速變化的流體

5、超音速流

速度超過音速的流動稱為超音速流動。馬赫數 M（即流速 u 與聲速 a 之比）大於 1 的流動。M = u / a（無量綱）由於流體的溫度會升高，流速在變化，熱力學和傳熱學中也涉及超音速流動；在隕石飛入大氣層的速度區（M>5），稱為高超音速流。

• 超音速流：馬赫數大於1的流動（流速比音速快）