精通流体力学仿真必会基础知识（1）

一、流体力学的基本概念

什么是流体：

等离子态：气体物质处于高温条件下，原子分子激烈碰撞被电离，或者气体物质被射线照射以后，原子被电离，整个气体含有足够数量的离子和带负电的电子，而且一般情况下正负电荷量几乎处处相等，这种聚集态叫等离子态。（宇宙中大部分发光的星球内部、日光灯、霓虹动、白炽灯电弧中）

超 固 态：如果物质处于极高的压力作用下，例如压强超过大气压的140万倍，组成物质的所有原子的电子壳层都会被“挤破”，电子都变成为“公有”， 原子失去了它原来的化学特征。这些“光身”的原子核在高压作用下会紧密地堆积起来，成为密度非常大的（大约是水成密度的3万至6.5万倍）状态，称为超固态。（白矮星里面、地球的中心）

常见的流体：

水、空气

油脂、油漆、牛奶、牙膏、动物血液；

聚合物工业：聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龙6，PVS，赛璐珞，涤纶，橡胶溶液，各种工程塑料，化纤的熔体、溶液；

石油，泥浆，水煤浆，陶瓷浆，纸浆，油墨，家蚕丝再生溶液，钻井用的洗井液和完井液，为提高石油产量使用的压裂液，新型润滑剂、磁浆，某些感光材料的涂液，泡沫，液晶，高含沙水流，泥石流，地幔；

食品工业中：番茄汁，淀粉液，蛋清，苹果浆，菜汤，糖水，酱油，果酱，炼乳，琼脂，土豆浆，熔化巧克力，面团，米粉团，以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料。

流体力学

流体力学是力学的一个分支，它是以理论分析、数值计算及实验研究为方法，主要研究流体本身的静止状态和运动状态、流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用的力学规律，以及这些规律在实际工程中的应用。

流体力学按其研究内容和侧重方法的不同，分为：

①理论流体力学（通称为流体力学）；

②应用流体力学（通称为工程流体力学）；

③水力学。

二、流体力学的应用范围

海洋、气象、水力、土建工程、造船、航空、机械、石油、冶金、化工、生物、食品等学科。

航空航天事业：揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题——空气动力学和气体动力学。

石油和天然气：流体在多孔或缝隙介质中的运动——渗流力学。

气体燃烧爆炸：这是有化学反应和热能变化的流体力学问题，是物理-化学流体动力学的内容之一——爆炸力学。

沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中油、气、水，煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等――多相流体力学。

风对建筑物、桥梁、电缆等的作用；废气和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀――环境流体力学。 

血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送――生物流变学。

三、流体力学的研究内容

1．研究流体中速度和压力的分布以及变化规律。

2．研究流体对物体的作用力和力矩，产生的原因、影响因素，以及计算方法。

四、流体力学的任务

流体力学的基本任务

在于建立描述流体运动的基本方程，确定流体流经各种通道及绕流不同物体时的速度、压强的分布规律，探求能量转换和损失计算方法，并解决流体与固体之间的相互作用问题。

流体力学在石油工业中的作用

①：（循环）泥浆、（固井）注水泥、套管强度的校核。

②：压裂液、降粘液、聚合物溶液；油气的收集、计量、分离；注水井的计量、污水处理与回注。

③：分析输油管道、输气管道中流体的流动规律，压力、阻力、温度、流速、泵的扬程与流量的关系，设计管径，校核管材强度，布置管线、选择泵的大小和类型，设计泵的安装位置，解释有关气蚀、水击等现象等等。

五、流体质点的概念

流体的特点 

与固体的主要差别，流体只能抵抗压力不能抵抗拉力，在切力作用下将发生连续不断的变形，即流动。

流体质点

现以密度为例说明如下

为了精确刻画不同空间点的密度，应该取得尽量小，但是，的最小值又必须有一定限度，超过这一限度，分子的随机进出将显著影响微元体的质量，使密度成为不确定的随机值。将该最小微元定义为流体质点，该微元的平均密度究定义为流体质点的密度

六、连续介质假设

    连续介质假设

认为流体质点（微观上充分大，宏观上充分小的分子团）连续地充满了流体所在的整个空间，流体质点所具有的宏观物理量（如质量、速度、压力、温度等）满足一切应该遵循的物理定律及物理性质，例如牛顿定律、质量、能量守恒定律、热力学定律，以及扩散、粘性、热传导等输运性质。

连续介质假设意义

在研究流体的宏观运动时，就可以把一个本来是大量的离散分子或原子的运动问题近似为连续充满整个空间的流体质点的运动问题。而且每个空间点和每个时刻都有确定的物理量，它们都是空间坐标和时间的连续函数，从而可以利用强有力的数学工具分析。

七、  流体的主要物理性质

密度

1．均质流体

2．非均质流体

3．比容：又称比体积，是单位质量的流体所占有的体积，用表示，单位为m³/ kg。

相对密度

指某种液体的密度与标准大气压下4℃（277K）纯水的密度的比值，用δ表示，为无量纲量。

气体的相对密度

指气体的密度与特定温度和压力下氢气或者空气的密度的比值。

根据相对密度可以把原油分为轻质油、中质油和重质油。

可压缩性和膨胀性

1．压缩性

定义：在温度不变的条件下，流体在压力作用下 体积缩小的性质，其大小用体积压缩系数表示。

    ①：在一定温度下，单位压力增量产生的体积相对减少率。

                     （单位Pa^－1）

②： 

      （单位Pa或N/m²）

气体和液体的主要差别：在于它们的可压缩性不同。液体的可压缩性很小，通常都视为不可压缩流体。只有当液体的温度和压力变化很大时，如研究水中爆炸和高压液系统时，才会考虑液体的可压缩性。

2．膨胀性

定义：在压力不变的条件下，流体温度升高时，其体积增大的性质，其大小用体积膨胀系数表示。

   ①：在一定压力下，单位温升所引起的体积相对增加率。

粘性

摩擦力出现在流体内部，因此把它称为流体内摩擦力。流体在有相对运动时都要产生内摩擦力，这是流体的一种固有物理属性，称为流体的粘性或粘滞性。

八、牛顿内摩擦定律

相互滑动的固体表面的摩擦力――接触表面的性质和接触正压力。

当速度u不是很大时，A，B板之间流体沿y方向的变化规律是线性的。

流体的流动只发生在方向，而速度只随变化，即。

流体沿方向的变形速率或速度梯度可以表示为。

牛顿内摩擦定律

流体层间单位面积的内摩擦力（即切应力）与流体变形速率即速度梯度成正比。

引入比例系数

                                    （单位或）

其中――动力粘性系数或粘度。

      （2）运动粘度

工程计算中常把流体的动力粘度与其密度的比值称为运动粘度或运动粘滞系数。

                                    （单位为）

（3）流体的粘度与温度、压力之间的关系

液体的粘度――随温度的升高而降低；气体的粘度――随温度的升高而升高。

实验证明：只要压力不是特别高时，压力对动力粘度的影响很小，而运动粘度则不然，因为它和密度有关。

牛顿流体和非牛顿流体

牛顿切应力公式表明了流体内摩擦力与速度梯度之间的一种函数关系。事实上，对于任意流体，其内摩擦切应力总是速度梯度的单值函数

切应力与速度梯度呈线性关系，这类流体被称为牛顿流体。如果函数关系是非线性的，所描述的流体就被称为非牛顿流体。

理想流体和实际流体

理想流体：完全没有粘性的流体。

实际流体：又称为粘性流体，即具有粘性的流体；

九、表面张力

表面张力

定义：液体表面总是取收缩趋势，如空气中的自由液滴总是呈球形。这种收缩趋势表明，液体表面各部分之间存在相互作用的拉力，使其表面总是处于紧张状态。液体表面的这种拉力就称为表面张力。

其中，比例系数σ称为液体表面张力系数，其单位为N/m。它在数值上等于液体表面单位长度分界线两边的相互拉力。

毛细管

将两根直径很小的玻璃管分别插在水和水银两种液体中，管中的液位与管外液位有明显的高度差。这种现象称为毛细现象。玻璃管就是毛细管。

十、作用在流体上的力

运动或平衡状态，都受到各种力。按力的表现形式，作用于流体上的外力可分为两类，即质量力与表面力。

质量力

质量力作用在每一个流体质点上，并与作用的流体质量成正比。对于均质流体，质量力也必然与流体的体积成正比。所以质量力又称为体积力，属于非接触力。

流体力学中，质量力采用单位质量流体所受到的质量力f来表示，即

或                      

质量力可以分为

表面力

1．定义

是由相邻流体质点或其它物体直接作用于流体微团表面上的力。如大气压强、摩擦力等，属于接触力。

2．表示形式

流体力学中，表面力常用单位面积上的表面力来表示。

一般情况下，p_n不与法线方向n重合。因此，可将p_n分解为法向分量p（正压力或法向应力）和切向分量τ（剪应力或切应力）