流体
流体（英语：fluid）就是在承受剪应力时将会发生连续变形的物体，包括气体和液体。流体没有一定形状，几乎可以任意改变形态，或者分裂。它们的剪切模量为零，或者简单来说，是无法抵抗任何施加在其上的剪切力的物质。[1]
流体与固体的根本区别在于固体在承受剪应力时发生有限的形变（弹性或塑性），而流体会发生持续的不可逆变形的抗力。流体涵盖了液体、气体和等离子体三种物态，是流体力学、空气动力学、水文学、气象学和生物力学等学科的研究对象。[2]
定义与特性[编辑]
流体的基本定义是在承受剪应力时发生连续变形的物体。与固体不同，流体的剪切模量为零，即无法抵抗任何施加在其上的剪切力。[1]
具有黏性的流体在发生变形时将产生阻力，而没有黏性的流体则不会有任何阻力，度量流体黏性的物理量称为流体的黏度。没有黏性的流体又称为超流体。[3]
流体的其他重要物理特性包括：
- 密度：单位体积内所含的质量，是流体最基本的特性参数之一。
- 压强：流体对容器壁或内部某一面的单位面积上所施加的法向力。
- 可压缩性：流体在压力作用下体积变化的能力。液体的可压缩性通常很小，而气体的可压缩性显著。
- 表面张力：液体表面层分子间的吸引力使液体表面呈现收缩倾向的现象，对小尺度流动（如毛细现象）有重要影响。
- 理想流体：一种理论模型，假设流体无黏性且不可压缩，用于简化流体力学分析。[4]
分类[编辑]
流体大致可按物态、流变特性、压缩性等标准分类：
按物态分类[编辑]
- 液体：可以流动或扩散，但有一定体积。水是为例子。
- 气体：可以扩散，其体积不受限制，没有固定形状。例子有空气。
- 等离子体：由自由电子和离子组成的电中性电离气体，在高温下存在，如恒星内部和闪电。等离子体具有导电性并受电磁场影响。[3]
按流变特性分类[编辑]
牛顿流体：剪应力与剪切速率成正比，比例常数为黏度。水和空气是典型的牛顿流体。[3] 非牛顿流体：剪应力与剪切速率不成正比，黏度随剪切速率变化。包括：
按压缩性分类[编辑]
不可压缩流体：密度在流动过程中基本不变，通常用于液体的低速流动分析。 可压缩流体：密度随压力和温度显著变化，用于气体的高速流动（如空气动力学中马赫数大于0.3的情况）。[4]
流动状态[编辑]
流体的流动形式有明显区分。倘流速很慢，流体会分层流动，互不混合，此乃层流。倘流速增加，越来越快，流体开始出现波动性摆动，此情况称之为流体处于过渡区，流型呈现层流或湍流，视情况而定。当流速继续增加，达到流线不能清楚分辨，会出现很多漩涡，这便是湍流，又称作乱流、扰流或紊流。[3]
流动状态的转变由雷诺数判断，定义为 <math>\mathrm{Re} = \frac{\rho v L}{\mu}</math>，其中 <math>\rho</math> 为密度，<math>v</math> 为流速，<math>L</math> 为特征长度，<math>\mu</math> 为黏度。通常当 Re < 2000 时为层流，Re > 4000 时为湍流，中间为过渡区。[2]
在固体边界附近，流体因黏性作用形成速度梯度显著的区域，称为边界层。边界层理论由路德维希·普朗特于1904年提出，是现代流体力学的基石之一。[3]
基本方程[编辑]
流体力学的基本方程描述了流体运动遵循的守恒定律：
- 连续性方程：质量守恒定律在流体中的表达式，即单位时间内流入控制体的质量等于流出控制体的质量加上控制体内质量的变化率：<math>\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0</math>。
- 伯努利原理：对于无黏性、不可压缩、沿流线稳定流动的流体，流速越大压强越小，其数学表达为 <math>p + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho g h = \text{常数}</math>。[2]
- 欧拉方程：描述无黏性流体运动的动量方程，由莱昂哈德·欧拉于1757年推导。
- 纳维-斯托克斯方程：描述黏性流体运动的动量守恒方程，是流体力学中最核心的方程组，其一般形式为 <math>\rho \left(\frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}\right) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \rho \mathbf{g}</math>。该方程的非线性特性使其解析求解极为困难，湍流的数值模拟（如直接数值模拟和雷诺平均纳维-斯托克斯方程）仍是当代研究的重点。[4]
流体静力学[编辑]
流体静力学研究静止流体中的力学平衡问题。其主要内容包括：
- 静水压强：静止流体中某一点的压强由重力引起，随深度增加而增大，表达式为 <math>p = p_0 + \rho g h</math>。
- 帕斯卡定律：施加在密闭流体上的压强将以同样大小传递到流体的各个部分。液压系统正是基于此原理工作。[3]
- 阿基米德原理：浸在流体中的物体受到向上的浮力，浮力大小等于物体排开流体的重力。即 <math>F_b = \rho g V</math>。[2]
应用[编辑]
流体的概念和理论在科学与工程中有广泛应用。在航空工程中，空气动力学利用流体力学原理设计机翼和飞行器外形。在水利工程中，管道流和明渠流的计算基于流体力学方程。在气象学和海洋学中，大气和海洋的环流由流体力学控制。在生物力学中，血液循环和呼吸系统中的流体流动对医学诊断至关重要。在化学工程和石油工程中，流体在多孔介质中的渗流用于油气开采和地下水模拟。[3]
参见[编辑]
参考文献[编辑]
- ↑ 1.0 1.1 Fluid | Definition, Models, Newtonian Fluids, Non-Newtonian Fluids, & Facts | Britannica. Encyclopedia Britannica. [2026-02-22]. （原始内容存档于2025-10-09） （English）.
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 Batchelor, George K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press. 2000. ISBN 978-0521663960.
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 White, Frank M. Fluid Mechanics 8th. McGraw-Hill. 2015. ISBN 978-0073398273.
- ↑ 4.0 4.1 4.2 Landau, Lev D.; Lifshitz, Evgeny M. Fluid Mechanics 2nd. Pergamon Press. 1987. ISBN 978-0080339337.
