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計(jì)算流體力學(xué)教案
流體力學(xué)是力學(xué)地一個獨(dú)立分支，它是研究流體地平衡和流體地機(jī)械運(yùn)動規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用地一門學(xué)科。以下是計(jì)算流體力學(xué)教案，歡迎閱讀。
一、流體地基本特征
1.物質(zhì)地三態(tài)
在地球上，物質(zhì)存在地主要形式有：固體、液體和氣體。
流體和固體地區(qū)別:從力學(xué)分析地意義上看，在于它們對外力抵抗地能力不同。
固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形。
流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形。
液體和氣體地區(qū)別：氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；液體有一定地體積，存在一個自由液面；氣體能充滿任意形狀地容器，無一定地體積，不存在自由液面。
液體和氣體地共同點(diǎn)：兩者均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會發(fā)生變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體。
2. 流體地連續(xù)介質(zhì)模型
微觀：流體是由大量做無規(guī)則運(yùn)動地分子組成地，分子之間存在空隙，但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體中含有3.3×1022個左右地分子，相鄰分子間地距離約為3.1×10-8cm。1cm3氣體中含有2.7×1019個左右地分子，相鄰分子間地距離約為3.2×10-7cm。
宏觀：考慮宏觀特性，在流動空間和時間上所采用地一切特征尺度和特征時間都比分子距離和分子碰撞時間大得多。
(1) 概念
連續(xù)介質(zhì)(continuum/continuous medium)：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)充滿所占空間地流體或固體。
連續(xù)介質(zhì)模型(continuum continuous medium model)：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)地整個空間地一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有地物理量都是空間坐標(biāo)和時間地連續(xù)函數(shù)地一種假設(shè)模型：u =u(t,x,y,z)。
�。�2）優(yōu)點(diǎn)
排除了分子運(yùn)動地復(fù)雜性。物理量作為時空連續(xù)函數(shù)，則可以利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來研究問題。
3.流體地分類
�。�1）按照流體受壓體積縮小地性質(zhì)，流體可分為：
可壓縮流體（compressible flow）：流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略地流體。
不可壓縮流體（incompressible flow）：流體密度隨壓強(qiáng)變化很小，流體地密度可視為常數(shù)地流體。
注：
(a)嚴(yán)格地說，不存在完全不可壓縮地流體。
(b)一般情況下地液體都可視為不可壓縮流體（發(fā)生水擊時除外）。
(c)對于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對較小時，可視為不可壓縮流體。
(d)管路中壓降較大時，應(yīng)作為可壓縮流體。
�。�2）按照流體是不是具有粘性，可分為：
實(shí)際流體：指具有粘度地流體，在運(yùn)動時具有抵抗剪切變形地能力。
理想流體：是指既無粘性又完全不可壓縮流體，在運(yùn)動時也不能抵抗剪切變形。
二、慣性
一切物質(zhì)都具有質(zhì)量，流體也不例外。質(zhì)量是物質(zhì)地基本屬性之一，是物體慣性大小地量度，質(zhì)量越大，慣性也越大。單位體積流體地質(zhì)量稱為密度(density)，單位：kg/m3。
三、壓縮性
1.壓縮性
流體地可壓縮性（compressibility）：作用在流體上地壓力變化可引起流體地體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體地可壓縮性。壓縮性可用體積壓縮率k來量度。
2.體積壓縮率k
體積壓縮率k（coefficient of volume compressibility）：流體體積地相對縮小值與壓強(qiáng)增值之比，即當(dāng)壓強(qiáng)增大一個單位值時，流體體積地相對減小值。
3.體積模量K
流體地壓縮性在工程上往往用體積模量來表示。體積模量K（bulk modulus of elasticity）是體積壓縮率地倒數(shù)。
k與K隨溫度和壓強(qiáng)而變化，但變化甚微。
說明：a. K越大，越不易被壓縮，當(dāng)K時，表示該流體絕對不可壓縮 。
b. 流體地種類不同，其k和K值不同。
c. 同一種流體地k和K值隨溫度、壓強(qiáng)地變化而變化。
d. 在一定溫度和中等壓強(qiáng)下，水地體積模量變化不大
一般工程設(shè)計(jì)中，水地K=2×109 Pa ，說明Dp =1個大氣壓時， 。Dp不大地條件下，水地壓縮性可忽略，相應(yīng)地水地密度可視為常數(shù)。
四、粘度
1.粘性
粘性：即在運(yùn)動地狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生地抵抗剪切變形地性質(zhì)。
2.粘度
�。�1）定義
流體地粘度：粘性大小由粘度來量度。流體地粘度是由流動流體地內(nèi)聚力和分子地動量交換所引起地。
�。�2）分類
動力粘度：又稱絕對粘度、動力粘性系數(shù)、粘度，是反映流體粘滯性大小地系數(shù)，單位：N"s/m2。
運(yùn)動粘度ν：又稱相對粘度、運(yùn)動粘性系數(shù)。
(3）粘度地影響因素
流體粘度地數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變化而變化。
1）流體種類。一般地，相同條件下，液體地粘度大于氣體地粘度。
2）壓強(qiáng)。對常見地流體，如水、氣體等，m值隨壓強(qiáng)地變化不大，一般可忽略不計(jì)。
3）溫度。是影響粘度地主要因素。當(dāng)溫度升高時，液體地粘度減小，氣體地粘度增加。
a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度地主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生地切應(yīng)力減小，所以m值減小。
b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運(yùn)動動量交換地
結(jié)果所引起地。溫度升高，分子運(yùn)動加快，動量交換頻繁，所以粘度增加。
3.牛頓內(nèi)摩擦定律
a. 牛頓內(nèi)摩擦定律： 液體運(yùn)動時，相鄰液層間所產(chǎn)生地切應(yīng)力與剪切變形地速率成正比。
說明：
1）流體地切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。——區(qū)別于固體地重要特性:固體地切應(yīng)力與角變形地大小成正比。
2）流體地切應(yīng)力與動力粘度m成正比。
3）對于平衡流體du /dy =0，對于理想流體m=0，所以均不產(chǎn)生切應(yīng)力，即t =0。
b.牛頓平板實(shí)驗(yàn)與內(nèi)摩擦定律
2.牛頓流體、非牛頓流體
牛頓流體（newtonian fluids）：是指任一點(diǎn)上地剪應(yīng)力都同剪切變形速率呈線性函數(shù)關(guān)系地流體，即遵循牛頓內(nèi)摩擦定律地流體稱為牛頓流體。
非牛頓流體：不符合上述條件地均稱為非牛頓流體
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