搞懂这几类流体流动，入门 CFD 更简单!

一文读懂流体流动的分类：从日常现象到工程应用 雨后屋檐滴落的水珠在地面溅起涟漪，夏天空调吹出的凉风带动窗帘摆动 —— 这些日常现象背后，都隐藏着流体流动的奥秘。流体（含液体和气体）的流动形式千差万别，为研究和利用其运动规律，科学家与工程师根据不同特性将其系统分类，以下为具体分类逻辑及应用场景。

按流动形态划分的层流与湍流（紊流）是最经典的分类，源于 19 世纪末物理学家奥斯本・雷诺的雷诺实验。

层流：有序流动

• 定义：流体微团沿平行、规则路径运动，各层互不干扰、无明显混合，类似纪律严明的军队。
• 实例：缓慢打开水龙头时的稳定圆柱形水柱；蜂蜜从瓶中缓慢倒出的固定轨迹流动。
• 特点与应用：流动稳定、能量损失小。化工领域用于精密化学反应（保证反应均匀稳定）；医疗领域控制静脉输液药液流动（减少血管刺 激）。

湍流：无序流动

• 定义：流体速度增大或流动通道形状剧烈变化时，层流状态被打破，流体微团运动无规律，存在大量横向、纵向漩涡与脉动，类似湍急河流。
• 实例：调大水龙头后飞溅的水流；刮风时带动树叶晃动、尘土飞扬的气流。
• 特点与应用：虽看似混乱，但能增强热量交换与优化阻力。工业换热设备利用其提高换热效率；船舶设计中研究湍流分布以减少航行阻力。

判断依据：雷诺数（Re）

雷诺数是无量纲数，综合流体密度、黏度、流动速度及通道特征尺寸：

• 圆管内流动时，临界雷诺数约 2300；
• Re＜临界值：层流；Re＞临界值：湍流。

根据速度、压强、密度等流动参数是否随时间变化划分。

定常流动：稳态流动

• 定义：流动空间内任意固定点的所有运动参数（速度、压强等）不随时间变化，固定位置观察时运动状态稳定。
• 实例：水库水位不变时出水口的水流；无其他用水时自来水龙头的稳定水流。
• 应用：研究无需考虑时间因素，简化计算。城市供水管道设计（计算流速、压强以确定管道直径与材质）；风力发电机初步设计（假设气流稳态分析叶片受力）。

非定常流动：非稳态流动

• 定义：流动空间内任意固定点的运动参数随时间变化，自然界与工程中更常见。
• 实例：降雨量变化时地面水流的速度与流量波动；海浪运动中海水流速与压强的实时变化。
• 应用：研究难度高但关键。航空航天领域分析飞机起降阶段机翼周围气流（优化机翼结构提升稳定性）；水利工程中分析洪水期河流流动（为防洪设计与预警提供依据）。

根据流动占据的空间维度划分，核心是简化分析以方便工程计算。

一维流动：线性流动

• 定义：运动参数仅在一个空间方向显著变化，另外两个垂直方向变化可忽略，近似沿直线流动。
• 实例：直径均匀长直管道内的流体（忽略截面速度差异）；较长且直径变化小的血管内血液流动。
• 应用：计算简单，适用于初步设计。长距离输油管道流量与压力损失计算。

二维流动：平面流动

• 定义：运动参数在两个空间方向显著变化，第三个方向变化可忽略，近似在平面内流动。
• 实例：无限长圆柱体垂直于轴线平面内的绕流（轴线方向参数无变化）；宽阔矩形渠道内的水流（宽度方向参数变化小）。
• 应用：兼顾准确性与计算复杂度。航空领域分析机翼剖面绕流特性；水利领域数值模拟渠道水流。

三维流动：空间流动

• 定义：运动参数在三个空间方向均显著变化，最接近实际但最复杂的流动形式。
• 实例：飞机飞行时机翼周围气流（沿飞行方向、高度、宽度均有变化）；汽车行驶时车身周围气流（前后、左右、上下方向参数不同）。
   
• 应用：需复杂数学模型与计算方法。借助 CFD（计算流体力学）数值模拟技术，用于航空航天、汽车设计、能源等领域的高精度分析（如火箭发动机气流模拟）。

根据研究与应用需求，还有两类重要细分：

按流体密度是否变化分：不可压缩与可压缩流动

• 不可压缩流动：流动过程中密度变化极小，可近似认为恒定。常见实例包括管道内的水流、血管内的血液流动；此外，常温下速度小于 300m/s 的空气流动（如汽车行驶时周围的气流、室内通风气流），因密度变化微弱，也归为不可压缩流动。
• 可压缩流动：流动过程中密度会发生显著变化，且这种变化不可忽略。典型实例有超声速飞行的飞机周围气流（此时气流密度剧烈变化，会形成激波）；还有火箭发动机喷出的高温高速气流，其密度随流动过程明显改变，属于可压缩流动。

按流动是否有旋分：有旋与无旋流动

• 有旋流动：流体微团在运动过程中存在旋转运动，流动区域内会形成漩涡。生活中常见的龙卷风、水流中的漩涡都属于有旋流动；工程领域中，水泵、风机内部的流体流动也为有旋流动，设备正是利用流体的旋转运动实现能量传递。
   
• 无旋流动：流体微团在运动过程中不存在旋转运动，其旋转角速度为零。这种流动形式更偏向理想状态，实际中很少完全存在，但在特定场景下可近似处理，例如远离物体的气流或水流，因旋转效应极弱，常按无旋流动简化研究，以降低计算难度。

分类的核心价值 流体流动分类的本质是对复杂现象的归纳，通过提炼共性与特性简化研究，为实际应用提供理论支撑。从日常生活的用水通风，到工业生产的设备设计，再到航空航天的高端研发，流体流动分类都是核心基础理论之一，推动着相关领域的技术进步。