流體力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，研究流體運(yùn)動(dòng)、浸入流體中的物體所受的力以及物體相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。流體力學(xué)的基本原理是質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律。流體力學(xué)的經(jīng)典理論涉及勢(shì)流、液體中的波、可壓縮流和二維流體運(yùn)動(dòng)。這篇文章為大家?guī)?lái)波士頓大學(xué)流體動(dòng)力學(xué)課程輔導(dǎo)。

一、流體力學(xué)理論和原理

流體力學(xué)的目的是了解流體的運(yùn)動(dòng)。流體力學(xué)的領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛，包括固體和流體--簡(jiǎn)言之，連續(xù)物質(zhì)--的流動(dòng)。流體力學(xué)理論還涉及靜態(tài)應(yīng)力分析問(wèn)題，并結(jié)合了彈性理論。

流體力學(xué)的基本原理是以下定律：

1.質(zhì)量守恒定律

質(zhì)量守恒定律指出，質(zhì)量既不會(huì)產(chǎn)生，也不會(huì)消失。在可壓縮流體沿基本流管流動(dòng)時(shí)，為系統(tǒng)建立的連續(xù)性方程遵守質(zhì)量守恒定律。

2.動(dòng)量守恒

當(dāng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)只受到系統(tǒng)中質(zhì)點(diǎn)相互施加的力時(shí)，系統(tǒng)的總矢量動(dòng)量保持不變。動(dòng)量守恒可以用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)。它將作用在流體元件上的力的總和與沿結(jié)果力方向的動(dòng)量變化率聯(lián)系起來(lái)。在無(wú)粘性流體流動(dòng)中，三維動(dòng)量方程可簡(jiǎn)化為歐拉運(yùn)動(dòng)方程。在粘性流體流動(dòng)中，納維-斯托克斯方程用數(shù)學(xué)方法表示動(dòng)量方程。

3.能量守恒

能量守恒定律指出，能量既不能被創(chuàng)造，也不能被毀滅;它只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。不粘性流體沿流線穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量守恒方程可由伯努利方程給出。

定律的數(shù)學(xué)表達(dá)可以用積分或微分的形式表示。在工程應(yīng)用的大規(guī)模分析中，數(shù)學(xué)語(yǔ)句的積分形式用于表達(dá)流體力學(xué)概念。流體力學(xué)方程的微分形式僅用于小規(guī)模分析，因?yàn)榫_解法的獲得僅限于少數(shù)專門的流動(dòng)。通常情況下，數(shù)值技術(shù)比分析方法更適合解決流體力學(xué)問(wèn)題。

二、經(jīng)典流體力學(xué)理論

經(jīng)典流體力學(xué)理論的基本原理強(qiáng)調(diào)的是不粘性流體力學(xué)。經(jīng)典流體力學(xué)理論主要涉及勢(shì)流、液體中的波、可壓縮流和二維流體運(yùn)動(dòng)。

在植根于歐拉和伯努利著作的經(jīng)典流體力學(xué)中，流體被視為理想化的不粘性物質(zhì)。與粘度相關(guān)的剪應(yīng)力被假定為零，壓力被視為各向同性量。根據(jù)所有這些假設(shè)，流體流動(dòng)與靜止時(shí)的流體平衡條件相同。

伯努利定律(將流線上的壓力變化與速度變化聯(lián)系起來(lái))是經(jīng)典流體力學(xué)理論中的一個(gè)著名定理。根據(jù)伯努利定律，無(wú)粘性流體在橫截面不同的管道中流動(dòng)時(shí)，在流速較高的收縮處壓力較低，而在流體停滯的管道開(kāi)口處壓力較高。

總之，在流體力學(xué)的經(jīng)典理論中，假定流體某點(diǎn)的應(yīng)力分量與應(yīng)力-速度分量之間存在確定的關(guān)系。應(yīng)力-應(yīng)變-速度分量之間的關(guān)系是線性的，并且在參考軸的變換下保持不變。在這種關(guān)系中，沒(méi)有與應(yīng)力或應(yīng)變速度分量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)相關(guān)的術(shù)語(yǔ);應(yīng)力和應(yīng)變速度分量之間的關(guān)系可以很好地描述理想流體的基本流動(dòng)特性。不過(guò)，應(yīng)力-應(yīng)變-速度關(guān)系限制了其適用性。

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