本文譯自機械設計工程師haku的博客。

1. 一、什么是流體力學

2. 二、運用流體力學知識可做什么？

3. 三、流體的分類

   1. 理想流體與真實流體

   2. 連續和不連續流體

   3. 穩定流和不穩定流

   4. 牛頓流體和非牛頓流體

   5. 超音速流

一、什么是流體力學

 

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

例如，當溫度升高時，容器中的氣體分子會增加其內能并飛得更快，結果，氣體分子與容器壁碰撞，增加了容器內的壓力；如果容器是可變的，它會膨脹并增加體積。另一方面，對于液體，這些變化可以忽略不計。

• 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么？

流體動力學知識用于“處理液體和氣體的產品的設計”。具體例子有汽車、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，我們使用流體動力學知識來計算空氣阻力和浮力。對于水管和氣管，重要的是設計壓力損失小的管道。此外，冷卻系統根據流量和速度計算“冷卻效率”。

通過這種方式，我們周圍的許多產品都使用了流體動力學知識。可以說，流體力學是從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稱為理想流體，具有粘度的流體稱為真實流體。例如日常生活中常見的水和空氣，都是真實的流體。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。這些是由于流體的粘性而發生的現象，是真實流體的特性。另一方面，理想流體被定義為沒有粘度并且不能通過施加力來壓縮的流體。在前面的河流示例中，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，由于流體之間沒有摩擦（剪切力），因此不會產生渦流。

水和空氣都不是理想流體，但緩緩彎曲的水流和低速氣流可以近似為理想流體。

• 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

流體質量連續變化的情況稱為連續流體，質量不連續變化的情況稱為不連續流體。例如，地表（0 米高度）的空氣是連續流體，但 100 公里高度的空氣是不連續流體。

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 公里高空的空氣每單位體積的分子比靠近地表的空氣少。氣體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。在這里，我們使用努森數 Kn來確定流體是否為連續介質。克努森數由下式表示，如果“Kn < 0.01” ，流體是連續的。Kn = λ/L　（λ：分子平均自由程，L：代表長度）
基本上，處理流體力學的公式和定理只適用于連續流體。請記住，具有高克努森數的不連續流體（例如高空的空氣）不在一般流體動力學的范圍內。

• 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穩態流，狀態隨時間變化的流稱為非穩態流。這里的流體狀態指的是速度、壓力、流速和流動方向。例如，在陽光明媚的日子里，微風中的一條河流在條件不變的情況下穩定流動。另一方面，在臺風日，河流流量不穩定，因為流量和流速會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

• 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

• 超音速流：馬赫數大于1的流動（流速比音速快）