流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)原理

流體動(dòng)力學(xué)的基本公理為守恒律，特別是質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒（也稱作牛頓第二與第三定律）以及能量守恒。這些守恒律以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，并且在量子力學(xué)及廣義相對(duì)論中有所修改。它們可用雷諾傳輸定理(Reynolds transport theorem)來(lái)表示。

除了上面所述，流體還假設(shè)遵守“連續(xù)性假設(shè)”(continuum assumption)。流體由分子所組成，彼此互相碰撞，也與固體相碰撞。然而，連續(xù)性假設(shè)考慮了流體是連續(xù)的，而非離散的。因此，諸如密度、壓力、溫度以及速度等性質(zhì)都被視作是在無(wú)限小的點(diǎn)上具有良好定義的，并且從一點(diǎn)到另一點(diǎn)是連續(xù)變動(dòng)。流體是由離散的分子所構(gòu)成的這項(xiàng)事實(shí)則被忽略。

若流體足夠致密，可以成為一連續(xù)體，并且不含有離子化的組成，速度相對(duì)于光速是很慢的，則牛頓流體的動(dòng)量方程為“納維-斯托克斯方程”。其為非線性微分方程，描述流體的流所帶有的應(yīng)力是與速度及壓力呈線性相依。未簡(jiǎn)化的納維-斯托克斯方程并沒(méi)有一般閉形式解，所以只能用在計(jì)算流體力學(xué)，要不然就需要進(jìn)行簡(jiǎn)化。方程可以通過(guò)很多方法來(lái)簡(jiǎn)化，以容易求解。其中一些方法允許適合的流體力學(xué)問(wèn)題能得到閉形式解。

除了質(zhì)量、動(dòng)量與能量守恒方程之外，另外還有熱力學(xué)的狀態(tài)方程，使得壓力成為流體其他熱力學(xué)變量的函數(shù)，而使問(wèn)題得以被限定。

研究運(yùn)動(dòng)流體的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)流體與邊界之間相互作用的流體力學(xué)分支。流體動(dòng)力學(xué)的主要內(nèi)容包括：流體動(dòng)力學(xué)基本方程、無(wú)粘性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)、粘性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)和透平機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)。

流動(dòng)種類：定常流動(dòng)、非定常流動(dòng)

流動(dòng)形態(tài)：層流、紊流

流動(dòng)穩(wěn)定性：不可壓縮流動(dòng)、 可壓縮流動(dòng)、粘性流動(dòng)、無(wú)粘流動(dòng)

流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)力張量

根據(jù)無(wú)粘性流體對(duì)于剪切變形沒(méi)有抗拒能力和靜止流體不能承受剪應(yīng)力的事實(shí)可以斷言：在無(wú)粘性流體或靜止流體中，剪應(yīng)力為零，而正應(yīng)力（即法向應(yīng)力）p_xx=p_yy=p_zz=－p。p稱為無(wú)粘性流體或靜止流體的壓力函數(shù)，它表征無(wú)粘性流體或靜止流體在任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。在流體動(dòng)力學(xué)中可以用p_x、p_y、p_z或九個(gè)量p_ij（i，j=1，2，3）的組合可完全地描寫一點(diǎn)的應(yīng)力狀況。p_ij組成的二階張量稱為應(yīng)力張量。

流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)力張量和變形速率張量的關(guān)系

流體動(dòng)力學(xué)動(dòng)量方程和能量方程

動(dòng)量方程是動(dòng)量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它的矢量形式為：

式中v為速度矢量；F為作用在單位質(zhì)量上的質(zhì)量力；p為壓力；ρ、μ分別為流體密度和動(dòng)力粘性系數(shù)。上式表明單位體積上的慣性力等于單位體積上的質(zhì)量力加上單位積上的壓力梯度和粘性應(yīng)力。能量方程是能量守世的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它可以寫成；

式中T、s分別為流體的熱力學(xué)溫度和單位質(zhì)量流體的熵；k為熱導(dǎo)率；q為由于輻射或其他原因在單位時(shí)間內(nèi)傳入單位質(zhì)量流體中的熱量；Φ為粘性耗損函數(shù)，其表達(dá)式為

流體動(dòng)力學(xué)渦旋的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)

渦旋的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在開(kāi)爾文定理和亥姆霍茲定理上。如果流體是無(wú)粘性、正壓的（見(jiàn)正壓流體），且外力有勢(shì)，則渦旋不生不滅，而且渦線、渦管總是由相同的流體質(zhì)點(diǎn)組成，渦管強(qiáng)度不隨時(shí)間變化。只有流體的粘性、斜壓性和外力無(wú)勢(shì)這三個(gè)因素才能使渦旋產(chǎn)生、發(fā)展變化和消亡.

流體動(dòng)力學(xué)伯努利積分和拉格朗日積分

無(wú)粘性的、正壓的流體在有勢(shì)外力作用下，其運(yùn)動(dòng)方程在定常和無(wú)旋兩特殊情形下可以積分出來(lái)。運(yùn)動(dòng)方程的這兩個(gè)第一積分分別稱為伯努利積分（見(jiàn)伯努利定理）和拉格朗日積分。它們（特別是伯努利積分）無(wú)論在流體力學(xué)的理論研究或?qū)嶋H應(yīng)用上都十分有用。

流體動(dòng)力學(xué)動(dòng)量定理

對(duì)于大部分流體力學(xué)問(wèn)題，為了了解整個(gè)流場(chǎng)的情況，需要在一定的初始條件和邊界條件下解微分形式的流體力學(xué)基本方程組。但是，有時(shí)只需要知道某些整體性的特征量（例如流體對(duì)于在其中運(yùn)動(dòng)著的物體的反作用力和整個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)的能量損失等），就可以利用積分形式方程組中的整體性定理——?jiǎng)恿慷ɡ砗蛣?dòng)量矩定理，根據(jù)邊界上給定的流動(dòng)參數(shù)直接求出感興趣的特征量，而不需要解微分方程。上述方法簡(jiǎn)單易行，在流體動(dòng)力學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。

可壓縮流與不可壓縮流

所有流體某種程度上而言都是可壓縮的，換言之，壓力或溫度的改變會(huì)造成流體密度的改變。然而，許多情況下，壓力或溫度改變所造成的密度改變相當(dāng)微小，是可以被忽略的。此種流體可以用不可壓縮流進(jìn)行模擬，否則必須使用更普遍性的可壓縮流方程式進(jìn)行描述。

數(shù)學(xué)上而言，不可壓縮性代表著流體流動(dòng)時(shí)，其密度維持不變，換言之：其中，D / Dt為對(duì)流導(dǎo)數(shù)(convective derivative)。此條件可以簡(jiǎn)化許多描述流體的方程式，尤其是運(yùn)用在均勻密度的流體。

對(duì)于氣體要辨別是否具有可壓縮性，馬赫數(shù)是一個(gè)衡量的指標(biāo)。概略來(lái)說(shuō)，在馬赫數(shù)低于0.3左右時(shí)，可以用不可壓縮流的行為解釋。至于液體，較符合可壓縮流還是不可壓縮流的性質(zhì)，主要取決于液體本身的性質(zhì)（特別是液體的臨界壓力與臨界溫度）和流體的條件（液體壓力是否接近和液體臨界壓力）。 聲學(xué)的問(wèn)題往往需要引進(jìn)壓縮性的考量，因?yàn)槁暡ㄋ闶强蓧嚎s波，其性質(zhì)會(huì)隨著傳播的介質(zhì)以及壓力變化而改變。

黏性流與非黏性流

當(dāng)流體內(nèi)的阻力越大時(shí)，描述流體須考慮其黏性的影響。雷諾數(shù)可用來(lái)估算流體的黏性對(duì)描述問(wèn)題的影響。所謂史托克流指雷諾數(shù)相當(dāng)小的流動(dòng)。在此情況，流體的慣性相較于黏性可忽略。而流體的雷諾數(shù)大代表流體流動(dòng)時(shí)慣性大于黏性。因此當(dāng)流體有很大的雷諾數(shù)，假設(shè)它是非黏性流，忽略其黏性，可當(dāng)成一個(gè)近似。 這樣的近似，當(dāng)雷諾數(shù)大時(shí)，可得到很好的結(jié)果。即使在某些不得不考慮黏性的問(wèn)題(例如邊界問(wèn)題)。在流體與管壁的邊界，有所謂的不滑移條件，局部會(huì)有很大的速率應(yīng)變率，使得黏性的作用放大而有渦度，黏性因而不可被忽略。 因此，計(jì)算管壁對(duì)流體的凈力，需要使用黏性方程式。如同達(dá)朗白謬論的說(shuō)明，物體在非黏性流里，不會(huì)感受到力。尤拉方程是描述非黏性流的標(biāo)準(zhǔn)方程式。在這種情況，一個(gè)常使用的模型，使用尤拉方程描述遠(yuǎn)離邊界的流體，在接觸的邊界，使用邊界層方程式。 在某一個(gè)流線上，將尤拉方程積分，可得到白努利方程。如果流體每一處都是無(wú)旋轉(zhuǎn)渦動(dòng)，白努利方程可描述整個(gè)流動(dòng)。

穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流

流體速度和壓力隨時(shí)間而改變的流動(dòng)稱為非穩(wěn)定流。非穩(wěn)定流的速度和壓力不僅要考慮位置，同時(shí)也要考慮時(shí)間的影響。流體速度和壓力均不隨時(shí)間而改變的流動(dòng)稱為穩(wěn)定流。

層流亂流

當(dāng)流動(dòng)由漩渦和明顯的隨機(jī)性所主導(dǎo)時(shí)，此種流動(dòng)稱為亂流。當(dāng)亂流效應(yīng)不明顯時(shí)，則稱為層流。然而值得注意的是，流動(dòng)之中存在于漩渦不一定表示此流動(dòng)為亂流──這些現(xiàn)象可能也存在于層流之中。數(shù)學(xué)上，亂流通常以雷諾分離法來(lái)表示，也就是亂流可以表示成穩(wěn)定流與擾動(dòng)部分的和。亂流遵守納維-斯托克斯方程式。數(shù)值直解法(Direct numerical simulation，DNS)，基于納維-斯托克斯方程式可應(yīng)用在不可壓縮流，可使用雷諾數(shù)對(duì)亂流進(jìn)行模擬（必須在電腦性能與演算結(jié)果準(zhǔn)確性均能負(fù)荷的條件下）。而此數(shù)值直解法的結(jié)果，可以解釋所得的實(shí)驗(yàn)資料。

然而，大部分我們有興趣的流動(dòng)都是雷諾數(shù)比DNS能夠模擬的范圍大上許多，即使電腦性能在接下來(lái)的數(shù)十年間持續(xù)發(fā)展，仍難以實(shí)行模擬。任何飛行交通工具，要足夠能承載一個(gè)人（L >3 m）以72 km/h (20 m/s)的速度移動(dòng)，此情況都遠(yuǎn)遠(yuǎn)在DNS能夠模擬的范圍之外（雷諾數(shù)為4百萬(wàn)）。像是空中巴士A300或波音747這類的飛行工具，機(jī)翼上的雷諾數(shù)超過(guò)4千萬(wàn)（以翼弦為標(biāo)準(zhǔn)）。為了能夠處理這些生活上實(shí)際的問(wèn)題，需要建立亂流模型。雷諾平均納維-斯托克斯方程式(Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) 結(jié)合了亂流的效果，提供了一個(gè)亂流的模型，將額外的動(dòng)量傳遞表示由雷諾應(yīng)力所造成；然而，亂流也會(huì)增加熱傳與質(zhì)傳速度。大渦數(shù)值模擬計(jì)算(Large eddy simulation，LES)也是一個(gè)模擬方法，外觀與分離渦流模型(detached eddy simulation, DES)甚相似，是一種亂流模擬與大渦數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)合。

流體動(dòng)力學(xué)研究的對(duì)象是運(yùn)動(dòng)中的流體(流體指液體和氣體)的狀態(tài)與規(guī)律。 流體動(dòng)力學(xué)底下的小學(xué)科包括有空氣動(dòng)力學(xué)(研究氣體)和 hydrodynamics(研究液體)

流體動(dòng)力學(xué)(Fluid dynamics)是流體力學(xué)的一門子學(xué)科。

流體動(dòng)力學(xué)有很大的應(yīng)用,在預(yù)測(cè)天氣,計(jì)算飛機(jī)所受的力和力矩,輸油管線中石油的流率等方面。其中的的一些原理甚至運(yùn)用在交通工程。交通運(yùn)輸本身被視為一連續(xù)流體,解決一個(gè)典型的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,需要計(jì)算流體的多項(xiàng)特性,包括速度,壓力,密度,溫度。

1.詞條作者：吳望一《中國(guó)大百科全書》74卷（第二版）物理學(xué)詞條：流體力學(xué)：中國(guó)大百科全書出版社，2009-07：263-264頁(yè)

2．G. K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge Univ. Press, London, 1970.

3．L. 普朗特等著，郭永懷、陸士嘉譯：《流體力學(xué)概論》，科學(xué)出版社，北京，1981。（L. Prandtl, et al., Führer Dvrch die Str?mungslehre, Friedr. Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1969.）

4.吳望一編著：《流體力學(xué)》，北京大學(xué)出版社，北京，1982。

半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型是一類出現(xiàn)在半導(dǎo)體器件科學(xué)中的宏觀流體動(dòng)力學(xué)方程組，它是在自相容電磁場(chǎng)的影響下描述電子和離子的，刻畫了高頻率條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體器件其內(nèi)部電了的輸運(yùn)過(guò)程。模型方程組是由電子的質(zhì)量和速度的守恒律方程禍合電磁場(chǎng)的Maxwell方程構(gòu)成的。

目前對(duì)半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)有非常多的研究。就半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型方程組的類型而言，它是一類可對(duì)稱化的擬線性雙曲型方程組。一般來(lái)說(shuō)，哪怕是在光滑的小初始條件下，擬線性雙曲型方程組的經(jīng)典解仍會(huì)在有限時(shí)問(wèn)內(nèi)破裂而產(chǎn)生激波。

磁流體動(dòng)力學(xué)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：天體物理、受控?zé)岷朔磻?yīng)和工業(yè)。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)天體物理

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場(chǎng)，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽(yáng)物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽(yáng)的研究課題有：太陽(yáng)磁場(chǎng)的性質(zhì)和起源，磁場(chǎng)對(duì)日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無(wú)作用力場(chǎng)存在的可能性，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場(chǎng)的起源，等等。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)受控?zé)岷朔磻?yīng)方面

受控?zé)岷朔綉?yīng)方面 這方面的應(yīng)用有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。受控?zé)岷朔磻?yīng)的目的就是把輕元素組成的氣體加熱到足夠發(fā)生核聚變的高溫，并約束它足夠的時(shí)間，以使核反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于所消耗的能量。對(duì)氘、氚混合氣來(lái)說(shuō)，要求溫度達(dá)到5000萬(wàn)到1億開(kāi)并要求粒子密度和約束時(shí)間的乘積不小于10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環(huán)形磁約束裝置）在受控?zé)岷朔磻?yīng)研究中顯出優(yōu)越性。美、蘇和一些西歐國(guó)家各自在托卡馬克的研究上取得進(jìn)展，但只得到單項(xiàng)指標(biāo)滿足勞孫條件的等離子體，沒(méi)有得到溫度、密度和約束時(shí)間都滿足勞孫條件的等離子體。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運(yùn)行范圍都受穩(wěn)定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩(wěn)定性越差，所以必須開(kāi)展對(duì)等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的磁流體力學(xué)研究，以期得到穩(wěn)定的并充分利用磁場(chǎng)的托卡馬克磁約束裝置。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)工業(yè)方面

磁流體力學(xué)除了與開(kāi)發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外，還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，省去轉(zhuǎn)動(dòng)部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15?20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發(fā)電裝罝的熱效率，必須運(yùn)用磁流體力學(xué)來(lái)分析發(fā)電通道中的流動(dòng)規(guī)律，傳熱、傳質(zhì)規(guī)律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發(fā)電對(duì)產(chǎn)煤豐富的國(guó)家有重要意義，這種研究目前正向工業(yè)發(fā)電階段發(fā)展。蘇聯(lián)已實(shí)現(xiàn)天然氣磁流體發(fā)電。

用導(dǎo)電流體取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)備，即用磁力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學(xué)空間推進(jìn)器（見(jiàn)電磁推進(jìn)）。電磁泵已用于核能動(dòng)力裝置中傳熱回路內(nèi)液態(tài)金屬的傳輸，冶金和鑄造工業(yè)中熔融金屬的自動(dòng)定量澆注和攪拌，化學(xué)工業(yè)中汞、鉀、鈉等有害和危險(xiǎn)流體的輸送等方面。電磁推進(jìn)研究用磁場(chǎng)力加速等離子體以期得到比化學(xué)火箭大得多的比沖。

飛行器再入大氣層時(shí)，激波、空氣對(duì)飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場(chǎng)可以控制對(duì)飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場(chǎng)裝置過(guò)重，這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。2100433B

電流體動(dòng)力學(xué)有三個(gè)主要的研究領(lǐng)域：①電流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述和理論分析：包括電流體動(dòng)力學(xué)基本方程組的建立；電流體動(dòng)力學(xué)判據(jù)的確定；電流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)的研究，包括單組元電氣體動(dòng)力流動(dòng)、電氣體動(dòng)力流動(dòng)中的間斷、二組元電氣體動(dòng)力流動(dòng)、電氣體動(dòng)力波動(dòng)等的研究。②電流體動(dòng)力過(guò)程的物理研究：包括電氣體動(dòng)力放電、輸運(yùn)系數(shù)的研究；電場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)基本特性的影響的研究等。③電流體動(dòng)力過(guò)程在工程技術(shù)中的應(yīng)用：包括各種電氣體動(dòng)力裝置的理論和實(shí)驗(yàn)研究；實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)和半工業(yè)樣機(jī)的研制。