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流體,是與固體相對應(yīng)的一種物體形態(tài),是液體和氣體的總稱。由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的,它的基本特征是沒有一定的形狀并且具有流動性。流體都有一定的可壓縮性,液體可壓縮性很小,而氣體的可壓縮性較大,在流體的形狀改變時,流體各層之間也存在一定的運動阻力(即粘滯性)。當(dāng)流體的粘滯性和可壓縮性很小時,可近似看作是理想流體,它是人們?yōu)檠芯苛黧w的運動和狀態(tài)而引入的一個理想模型。是液壓傳動和氣壓傳動的介質(zhì)。

固體和流體具有以下不同的特征：在靜止?fàn)顟B(tài)下固體的作用面上能夠同時承受剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力。而流體只有在運動狀態(tài)下才能夠同時有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用,靜止?fàn)顟B(tài)下其作用面上僅能夠承受法向應(yīng)力,這一應(yīng)力是壓縮應(yīng)力即靜壓強。固體在力的作用下發(fā)生變形,在彈性極限內(nèi)變形和作用力之間服從胡克定律,即固體的變形量和作用力的大小成正比。而流體則是角變形速度和剪切應(yīng)力有關(guān),層流和紊流狀態(tài)它們之間的關(guān)系有所不同,在層流狀態(tài)下,二者之間服從牛頓內(nèi)摩擦定律。

當(dāng)作用力停止作用,固體可以恢復(fù)原來的形狀,流體只能夠停止變形,而不能返回原來的位置。固體有一定的形狀,流體由于其變形所需的剪切力非常小,所以很容易使自身的形狀適應(yīng)容器的形狀,在一定的條件下并可以維持下來。

具有黏性的流體在發(fā)生變形時將產(chǎn)生阻力,而沒有黏性的流體則不會有任何阻力,度量流體黏性的物理量稱為流體的黏度。沒有黏性的流體又稱為超流體。

而流體的流動形式也有區(qū)分。倘流速很慢,流體會分層流動,互不混合,此乃層流。倘流速增加,越來越快,流體開始出波動性擺動,此情況稱之為過渡流。當(dāng)流速繼續(xù)增加,達到流線不能清楚分辨,會出現(xiàn)很多漩渦,這便是湍流,又稱作亂流、擾流或紊流。

與液體相比氣體更容易變形,因為氣體分子比液體分子稀疏得多。在一定條件下,氣體和液體的分子大小并無明顯差異,但氣體所占的體積是同質(zhì)量液體的103倍。所以氣體的分子距與液體相比要大得多,分子間的引力非常微小,分子可以自由運動,極易變形,能夠充滿所能到達的全部空間。液體的分子距很小,分子間的引力較大,分子間相互制約,分子可以作無一定周期和頻率的振動,在其他分子間移動,但不能像氣體分子那樣自由移動,因此,液體的流動性不如氣體。在一定條件下,一定質(zhì)量的液體有一定的體積,并取容器的形狀,但不能像氣體那樣充滿所能達到的全部空間。液體和氣體的交界面稱為自由液面。

從阿基米德的二千多年,特別是從20世紀(jì)以來,流體力學(xué)已發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分,同時又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、天文學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。

今后,人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進行流體力學(xué)應(yīng)用性的研究,另一方面將更深入地開展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動規(guī)律和機理。后一方面主要包括：通過湍流的理論和實驗研究,了解其結(jié)構(gòu)并建立計算模式；多相流動；流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用；邊界層流動和分離；生物地學(xué)和環(huán)境流體流動等問題;有關(guān)各種實驗設(shè)備和儀器等,隨著微機械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,微尺度下流體流動和傳熱也稱為新的研究熱點。

流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實踐中逐步發(fā)展起來的。古時中國有大禹治水疏通江河的傳說;秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動人民修建的都江堰,至今還在發(fā)揮著作用;大約與此同時,古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等等。

阿基米德

對流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個貢獻的是古希臘的阿基米德,他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論,奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間,流體力學(xué)沒有重大發(fā)展。

達·芬奇

直到15世紀(jì),意大利達·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題。

帕斯卡

17世紀(jì),帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學(xué)尤其是流體動力學(xué)作為一門嚴密的科學(xué),卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度,力、流場等概念,以及質(zhì)量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

牛頓

17世紀(jì),力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運動的物體所受到的阻力,得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關(guān)系。他針對粘性流體運動時的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是,牛頓還沒有建立起流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ),他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實際情形還有較大的差別。

之后,法國皮托發(fā)明了測量流速的皮托管；達朗貝爾對運河中船只的阻力進行了許多實驗工作,證實了阻力同物體運動速度之間的平方關(guān)系

歐拉

瑞士的歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念,把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運動流體中,建立了歐拉方程,正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動

伯努利

伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā),研究供水管道中水的流動,精心地安排了實驗并加以分析,得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程。

歐拉方程和伯努利方程的建立,是流體動力學(xué)作為一個分支學(xué)科建立的標(biāo)志,從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。

位勢流理論

從18世紀(jì)起,位勢流理論有了很大進展,在水波、潮汐、渦旋運動、聲學(xué)等方面都闡明了很多規(guī)律。法國拉格朗日對于無旋運動,德國赫爾姆霍茲對于渦旋運動作了不少研究……。在上述的研究中,流體的粘性并不起重要作用,即所考慮的是無粘流體。這種理論當(dāng)然闡明不了流體中粘性的效應(yīng)。

N-S方程

19世紀(jì),工程師們?yōu)榱私鉀Q許多工程問題,尤其是要解決帶有粘性影響的問題。于是他們部分地運用流體力學(xué),部分地采用歸納實驗結(jié)果的半經(jīng)驗公式進行研究,這就形成了水力學(xué),至今它仍與流體力學(xué)并行地發(fā)展。1822年,納維建立了粘性流體的基本運動方程;1845年,斯托克斯又以更合理的基礎(chǔ)導(dǎo)出了這個方程,并將其所涉及的宏觀力學(xué)基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程),它是流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時的特例。

邊界層理論

普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化,從推理、數(shù)學(xué)論證和實驗測量等各個角度,建立了邊界層理論,能實際計算簡單情形下,邊界層內(nèi)流動狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念,并廣泛地應(yīng)用到飛機和汽輪機的設(shè)計中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍,又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。

機翼理論

20世紀(jì)初,飛機的出現(xiàn)極大地促進了空氣動力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展,期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題,這就促進了流體力學(xué)在實驗和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學(xué)家,開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎(chǔ)的機翼理論,闡明了機翼怎樣會受到舉力,從而空氣能把很重的飛機托上天空。機翼理論的正確性,使人們重新認識無粘流體的理論,肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計的重大意義。

機翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的一次重大進展,它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來。隨著汽輪機的完善和飛機飛行速度提高到每秒50米以上,又迅速擴展了從19世紀(jì)就開始的,對空氣密度變化效應(yīng)的實驗和理論研究,為高速飛行提供了理論指導(dǎo)。

20世紀(jì)40年代以后,由于噴氣推進和火箭技術(shù)的應(yīng)用,飛行器速度超過聲速,進而實現(xiàn)了航天飛行,使氣體高速流動的研究進展迅速,形成了氣體動力學(xué)、物理-化學(xué)流體動力學(xué)等分支學(xué)科。以這些理論為基礎(chǔ),20世紀(jì)40年代,關(guān)于炸藥或天然氣等介質(zhì)中發(fā)生的爆轟波又形成了新的理論,為研究原子彈、炸藥等起爆后,激波在空氣或水中的傳播,發(fā)展了爆炸波理論。此后,流體力學(xué)又發(fā)展了許多分支,如高超聲速空氣動力學(xué)、超音速空氣動力學(xué)、稀薄空氣動力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計算流體力學(xué)、兩相(氣液或氣固)流等等。

這些巨大進展是和采用各種數(shù)學(xué)分析方法和建立大型、精密的實驗設(shè)備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起,電子計算機不斷完善,使原來用分析方法難以進行研究的課題,可以用數(shù)值計算方法來進行,出現(xiàn)了計算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科。與此同時,由于民用和軍用生產(chǎn)的需要,液體動力學(xué)等學(xué)科也有很大進展。

20世紀(jì)60年代,根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)的需要,出現(xiàn)了計算彈性力學(xué)問題的有限元法。經(jīng)過十多年的發(fā)展,有限元分析這項新的計算方法又開始在流體力學(xué)中應(yīng)用,尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復(fù)雜問題中,優(yōu)越性更加顯著。如今來又開始了用有限元方法研究高速流的問題,也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。

從20世紀(jì)60年代起,流體力學(xué)開始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透,形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科,如物理-化學(xué)流體動力學(xué)、磁流體力學(xué)等;原來基本上只是定性地描述的問題,逐步得到定量的研究,生物流變學(xué)就是一個例子。

流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產(chǎn)活動中隨時隨地都可遇到流體,所以流體力學(xué)是與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)的。大氣和水是最常見的兩種流體,大氣包圍著整個地球,地球表面的70%是水面。大氣運動、海水運動(包括波浪、潮汐、中尺度渦旋、環(huán)流等)乃至地球深處熔漿的流動都是流體力學(xué)的研究內(nèi)容。

20世紀(jì)初,世界上第一架飛機出現(xiàn)以后,飛機和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)50年代開始的航天飛行,使人類的活動范圍擴展到其他星球和銀河系。航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展是同流體力學(xué)的分支學(xué)科——空氣動力學(xué)和氣體動力學(xué)的發(fā)展緊密相連的。這些學(xué)科是流體力學(xué)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域。

石油和天然氣的開采,地下水的開發(fā)利用,要求人們了解流體在多孔或縫隙介質(zhì)中的運動,這是流體力學(xué)分支之一——滲流力學(xué)研究的主要對象。滲流力學(xué)還涉及土壤鹽堿化的防治,化工中的濃縮、分離和多孔過濾,燃燒室的冷卻等技術(shù)問題。

燃燒離不開氣體,這是有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問題,是物理-化學(xué)流體動力學(xué)的內(nèi)容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過程,涉及氣體動力學(xué),從而形成了爆炸力學(xué)。

沙漠遷移、河流泥沙運動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運動等,都涉及流體中帶有固體顆粒或液體中帶有氣泡等問題,這類問題是多相流體力學(xué)研究的范圍。

等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場作用下有特殊的運動規(guī)律。研究等離子體的運動規(guī)律的學(xué)科稱為等離子體動力學(xué)和電磁流體力學(xué),它們在受控?zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運動等方面有廣泛的應(yīng)用。

風(fēng)對建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發(fā)振動;廢氣和廢水的排放造成環(huán)境污染;河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕;研究這些流體本身的運動及其同人類、動植物間的相互作用的學(xué)科稱為環(huán)境流體力學(xué)(其中包括環(huán)境空氣動力學(xué)、建筑空氣動力學(xué))。這是一門涉及經(jīng)典流體力學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)和水力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等的新興邊緣學(xué)科。

生物流變學(xué)研究人體或其他動植物中有關(guān)的流體力學(xué)問題,例如血液在血管中的流動,心、肺、腎中的生理流體運動和植物中營養(yǎng)液的輸送。此外,還研究鳥類在空中的飛翔,動物在水中的游動,等等。

因此,流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論,又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。此外,如從流體作用力的角度,則可分為流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)和流體動力學(xué);從對不同"力學(xué)模型"的研究來分,則有理想流體動力學(xué)、粘性流體動力學(xué)、不可壓縮流體動力學(xué)、可壓縮流體動力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)等。

描述流體的兩種方法——拉格朗日方法和歐拉方法

拉格朗日方法,著眼于流體質(zhì)點。設(shè)法描述出每個流體質(zhì)點自始至終的運動過程,即它們的位置隨時間變化的規(guī)律。如果知道了所有流體質(zhì)點的運動規(guī)律,那么整個流體的運動狀況也就知道了。

歐拉方法,其著眼點不是流體質(zhì)點,而是空間點,設(shè)法在空間中的每一點上描述出流體運動隨時間的變化狀況。

流體力學(xué)有一些基本假設(shè),基本假設(shè)以方程的形式表示。例如,在三維的不可壓縮流體中,質(zhì)量守恒的假設(shè)的方程如下:在任意封閉曲面(例如球體)中,由曲面進入封閉曲面內(nèi)的質(zhì)量速率,需和由曲面離開封閉曲面內(nèi)的質(zhì)量速率相等。(換句話說,曲面內(nèi)的質(zhì)量為定值,曲面外的質(zhì)量也是定值)以上方程可以用曲面上的積分式表示。

流體力學(xué)假設(shè)所有流體滿足以下的假設(shè):

·質(zhì)量守恒

·動量守恒

·連續(xù)體假設(shè)

在流體力學(xué)中常會假設(shè)流體是不可壓縮流體,也就是流體的密度為一定值。液體可以算是不可壓縮流體,氣體則不是。有時也會假設(shè)流體的黏度為零,此時流體即為非粘性流體。氣體常�？梢暈榉钦承粤黧w。若流體黏度不為零,而且流體被容器包圍(如管子),則在邊界處流體的速度為零。