流体力学基础
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流体力学基础
流体基础
流体与固体的区别
固体可以通过静态形变来抵抗剪切应力，而流体不能。
流体在连续的剪切应力作用下，会发生连续变形。
连续性假设
流体充满着一个容积时不留任何自由空隙，既没有真空的地方，也没有分子的微观运动。即把流体看做是连绵不断的不留任何自由空隙的连续介质。
连续性假设合理的条件？
气体分子的平均自由行程
l与所研究物体的特征尺度L之比及其微小。（努森数Kn = l/L >= 0.1，连续性假设不再适用）
流体特性
一般流体的运动特性包括：温度、压力、密度、粘性和声速。
温度
描述流体分子热运动的剧烈程度。
温度很难定量地下定义。当两个物体在热接触时没有任何可观测的特性发生改变，则它们的温度相同。
与第三个物体温度相等的两个物体，温度相同。
压力
因为热能引起的流体分子随机运动，单个流体分子会撞击置于流体中的物体表面，从而对物体表面产生作用力。压力为单位表面积上这种作用力的度量值。
密度
某点流体的密度，等于包围该点的单位体积流体的质量。
密度是气体成分、温度和压力的函数。
ρ = f(气体成分, T, P)
理想气体状态方程
P = ρ * R_g * T
其中R_g为气体常数，与气体种类有关。
粘性
粘性是对真实流体在剪切变形过程中，产生的剪切应力大小的度量。
剪切应力与横向速度梯度成正比的流体，称为牛顿流体。
粘性大小用粘性系数μ表示，它是气体成分、温度、压力的函数。
对于空气，在温度低于3000K的情况下，粘性几乎只与温度有关，而不受压力影响。
空气密度可以用Sutherland公式估计。
声速
无限小扰动在流体中的传播速度，称为声速。
流动形态
流体流动的形态主要有层流和湍流两种。
层流与湍流一般通过雷诺数的大小来区分：
- Re < 2300: 层流；
- Re ≥ 2300 && Re ≤ 10000: 过渡区；
- Re > 10000: 旺盛湍流；
流动类型
流动类型主要包括外流和内流。
外流为流体围绕固体的流动，内流为流体在固体包围形成的空间内流动。
流动阻力、流动损失
流动阻力
流动阻力是流体流经物体时，沿流线方向施加给物体的合力。
流动阻力与下列变量有关：
- 流道几何形状；
- 流场；
- 流体性质。
对特定形状流道的特定流体，不可压范围内（密度不变），流经流道施加的流动阻力大小只与流场有关。具体地，与流速的分布情况有关。
从微观上，这个流动阻力是流体与流道接触的界面上压力P，在整个流体与流道接触面上的积分值（压力合力）在流动方向上的分量。
根据牛顿第三定律，流动阻力也存在相互作用力。流体给予物体一个阻力F，则物体也给予流体一个逆流向的反作用力-F。在稳态时，如需继续保持稳定流动，围绕物体的流体需受力平衡，取其为控制体，因流体流动只能依靠不均匀的压力驱动，则这个物体施加的反作用力-F需要控制体边界的压力合力来平衡。
也就是说，在一个封闭的流道中（任意构型），如需让流体以特定速度V流过流道，则必须在流道的进出口设置一定的压力差△P，以克服流道壁施加给流体的反作用力-F。
流动阻力由压差阻力和摩擦阻力两部分构成。
压差阻力：由包围物体的压力积分决定； 摩擦阻力：由物体表面流体的速度梯度决定。
流动损失
因流体具有粘性，凡是具有速度梯度的地方，就不可避免地存在流动损失。
流动损失的本质是流体的机械能向内能不可逆地转换（也称熵增），体现为流体总压的降低。
流体机械
风机、水泵
风机和水泵可以被看作总压增大器。
风机（水泵）这类流体机械，通过叶片的旋转对通过的流体非定常做功，增加其总压。对于气体，通过风扇后静压和动压都可能增大。对于液体，通过泵的总压增大主要体现在动压（流速）增加。
