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流体力学英语:Fluid mechanics)是力学的一门分支,是研究流体(包含气体、液体及等离子体)现象以及相关力学行为的科学。流体力学可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学流体动力学,前者研究处于静止状态的流体,后者研究力对于流体运动的影响。流体力学按照应用范围,分为空气力学及水力学等。

流体力学是连续介质力学的一门分支,是以宏观的角度来考虑系统特性,而不是微观的考虑系统中每一个粒子的特性。流体力学(尤甚是流体动力学)是一个活跃的研究领域,其中有许多尚未解决或部分解决的问题。流体动力学所应用的数学系统非常复杂,最佳的处理方式是利用电脑进行数值分析,如计算流体力学[1]通过数值分析的方式求解流体力学问题。粒子图像测速技术是一个将流体流场视觉化并进行分析的实验方式,也利用了流体高度可见化的特点。

理论流体力学的基本方程是纳维-斯托克斯方程,简称N-S方程,纳维-斯托克斯方程由一些微分方程组成,通常只有透过给予特定的边界条件与使用数值计算的方式才可求解。纳维-斯托克斯方程中包含速度 {\displaystyle {\vec {v}}=(u,v,w)} {\vec {v}}=(u,v,w)、压强 {\displaystyle p} p、密度 {\displaystyle \rho } \rho 、黏度 {\displaystyle \eta } \eta ,和温度 {\displaystyle T} T等变量,而这些都是位置 {\displaystyle (x,y,z)} (x,y,z)和时间t的函数。通过质量守恒、能量守恒动量守恒,以及热力学方程 {\displaystyle f(\rho ,p,T)} f(\rho ,p,T)和介质的材料性质,我们可以确定这些变量与其应变的关系。

简史

流体力学的研究至少可以追溯到古希腊时代,当时阿基米德研究流体静力学和浮力,并提出现在称之为阿基米德定律[2]的定律.定律是记载在阿基米德的著作《论浮体》中,此书被视为第一本以流体力学为主的著作。后来在列奥那多·达芬奇(观察和实验)、埃万杰利斯塔·托里拆利(发明气压表)、艾萨克·牛顿(研究粘度)和布莱兹·帕斯卡(研究流体静力学及帕斯卡定律)等研究的推动下,流体力学迅速的发展,后来由丹尼尔·伯努利在1738年的《Hydrodynamica》导入了流体动力学的数学模型。

流体力学中可以省略粘性的无粘性流较为简单,有许多数学家分析无粘性流(像莱昂哈德·欧拉、让·勒朗·达朗贝尔、约瑟夫·拉格朗日、皮耶尔-西蒙·拉普拉斯、西莫恩·德尼·泊松等)。较复杂的粘性流也被许多工程师所发现(像让·路易·马利·普瓦泽伊和戈特希尔夫·哈根等)。由克劳德-路易·纳维及乔治·加布里埃尔·斯托克斯提出的N-S方程,以及边界层的相关研究(路德维希·普朗特、西奥多·冯·卡门)对流体力学进行进一步的数学修正。而后来像奥斯鲍恩·雷诺、安德雷·柯尔莫哥洛夫及杰弗里·泰勒等科学家对流体粘度和湍流有更多的了解。

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参考文献