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流体力学是研究流体运动规律的科学。流体包括液体和气体两大类。液体分子间距较小,具有一定体积但形状可变;气体分子间距很大,既无固定体积也无固定形状。流体的共同特点是具有流动性,在外力作用下会发生连续变形。
连续介质假设是流体力学的基础。它将流体视为连续分布、充满整个空间的介质,忽略分子结构和分子间的空隙。这样我们就可以用连续函数来描述密度、速度等物理量在空间和时间上的变化,从而应用微积分等数学工具进行分析。
流体力学中有五个基本物理量。密度表示单位体积的质量;压力是单位面积上的垂直作用力;速度描述流体运动的快慢和方向;粘度反映流体抵抗变形的能力;温度影响流体的各种物理性质。这些量相互关联,共同决定了流体的运动状态。
流体可以按不同标准分类。按粘性分为理想流体和粘性流体;按可压缩性分为不可压缩流体和可压缩流体;按应力应变关系分为牛顿流体和非牛顿流体;按流动状态分为层流和湍流。不同类型的流体具有不同的力学特性和数学描述方法。
流体力学的基本控制方程基于三大守恒定律。连续性方程基于质量守恒,描述密度和速度场的关系。纳维-斯托克斯方程基于动量守恒,是流体力学最核心的方程,描述速度、压力、粘性力和外力的关系。能量方程基于能量守恒,描述温度场和热传导。这些方程构成了流体力学分析的数学基础。