流体动力学(Fluid dynamics)是流体力学的一门子学科。流体动力学研究的对象是运动中的流体(流体指液体和气体)的状态与规律。 流体动力学底下的小学科包括有空气动力学(研究气体)和 hydrodynamics(研究液体)。流体动力学有很大的应用,在预测天气,计算飞机所受的力和力矩,输油管线中石油的流率等方面.其中的的一些原理甚至运用在交通工程.交通运输本身被视为一连续流体,解决一个典型的流体动力学问题,需要计算流体的多项特性,包括速度,压力,密度,温度。 ehvacr.com
研究运动流体的规律和运动流体与边界之间相互作用的流体力学分支。流体动力学的主要内容包括:流体动力学基本方程、无粘性不可压缩流体动力学、粘性不可压缩流体动力学、气体动力学和透平机械气体动力学。
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理想气体方程式:PV=nRT (P是压力,V是气体所占体积,n是摩尔数,R是 理想气体常数,T是温度 )
所有流体某种程度上而言都是可压缩的,换言之,压力或温度的改变会造成流体密度的改变。然而,许多情况下,压力或温度改变所造成的密度改变相当微小,是可以被忽略的。此种流体可以用不可压缩流进行模拟,否则必须使用更普遍性的可压缩流方程式进行描述。
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数学上而言,不可压缩性代表着流体流动时,其密度维持不变,换言之:其中,D / Dt为对流导数(convective derivative)。此条件可以简化许多描述流体的方程式,尤其是运用在均匀密度的流体。
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当流体内的阻力越大时,描述流体须考虑其黏性的影响。雷诺数可用来估算流体的黏性对描述问题的影响。所谓史托克流指雷诺数相当小的流动。在此情况,流体的惯性相较于黏性可忽略。而流体的雷诺数大代表流体流动时惯性大于黏性。因此当流体有很大的雷诺数,假设它是非黏性流,忽略其黏性,可当成一个近似。 这样的近似,当雷诺数大时,可得到很好的结果。即使在某些不得不考虑黏性的问题(例如边界问题)。在流体与管壁的边界,有所谓的不滑移条件,局部会有很大的速率应变率,使得黏性的作用放大而有涡度,黏性因而不可被忽略。 因此,计算管壁对流体的净力,需要使用黏性方程式。如同达朗白谬论的说明,物体在非黏性流里,不会感受到力。尤拉方程是描述非黏性流的标准方程式。在这种情况,一个常使用的模型,使用尤拉方程描述远离边界的流体,在接触的边界,使用边界层方程式。 在某一个流线上,将尤拉方程积分,可得到白努利方程。如果流体每一处都是无旋转涡动,白努利方程可描述整个流动。
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流体速度和压力随时间而改变的流动称为非稳定流。非稳定流的速度和压力不仅要考虑位置,同时也要考虑时间的影响。流体速度和压力均不随时间而改变的流动称为稳定流。
当流动由漩涡和明显的随机性所主导时,此种流动称为乱流。当乱流效应不明显时,则称为层流。然而值得注意的是,流动之中存在于漩涡不一定表示此流动为乱流──这些现象可能也存在于层流之中。数学上,乱流通常以雷诺分离法来表示,也就是乱流可以表示成稳定流与扰动部分的和。乱流遵守纳维-斯托克斯方程式。数值直解法(Direct numerical simulation,DNS),基于纳维-斯托克斯方程式可应用在不可压缩流,可使用雷诺数对乱流进行模拟(必须在电脑性能与演算结果准确性均能负荷的条件下)。而此数值直解法的结果,可以解释所得的实验资料。
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