身邊的流動--流體力學

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資料介紹

什么是流體力學？　

　　以上舉的例子，都是我們身邊的流動現象。那么，什么叫做流體力學？

　　流體力學是研究流體介質的對流、擴散，以及相伴的物理、化學、生物過程，導致質量、動量、能量輸送的現象。

　　物質有四態，包括固體以及流體的三態——液態、氣態和等離子體。隨著溫度升高、壓力降低，可以從固態到液態，再從液態到氣態，氣態再到等離子體。等離子體是宏觀中性的電離氣體，美麗的極光就是等離子體。

　　流體跟固體的區別很清楚，但又不是絕對的，有種現象叫做流變行為，這是一種亦流亦固的現象。舉個例子，如果在一個靜止容器中有一種黏彈性流體，當它發生旋轉時，就會沿著中間的旋轉棒往上爬升。如果是純流體的話，不可能發生爬竿效應，這種黏彈性流體之所以能夠爬上來，是因為它具有的固體能夠保持一定的形狀緣故。流變現象有時還與時間尺度有關。比如冰川，短時間不會變形，但在十年、百年、千年的時間尺度上，冰川肯定是在流動的。

　　流體當中的最重要的現象就是對流。對流分兩種情況：強迫對流和自然對流。強迫對流是靠外力來直接驅動的，例如：水泵、風機、河水、風生環流；自然對流沒有外驅動力，是因密度差間接由重力而引起的流動，譬如燒水時，輕的流體在下面，重的流體在上面，就會發生上下翻滾的對流運動。在海洋當中，由于鹽度和溫度的不同，也會造成對流，我們把它叫做熱鹽環流。

　　流體的第二種現象是擴散，指兩個相鄰的、溫度不一樣或濃度不一樣的流體團間的能量、質量、動量交換。一般情況下有兩種流動狀態：一種是非常有規則的層流，它的流線非常明顯，不同層間的能量、物質、動量等都可以交換，主要靠我們看不見的分子無規運動。熱量的傳輸會從高溫到低溫，濃度高的會向濃度低的物質傳輸，分子擴散相對比較慢一點。第二種是湍流擴散。坐過飛機的朋友都知道，經常有顛簸，是因為外面有湍流運動。它是流體團無規運動，而不只是分子的無規運動。一個分子、一個分子地交換比較慢，而攜帶帶著能量、質量、動量的流體團間的交換要快得多，所以，湍流擴散可以是分子擴散的幾百倍、上千倍。湍流交換有利有弊，一方面加快了燃料混合和污染物的擴散，另一方面，又增加了阻力。所以我們要充分利用這些特點來為人類服務。

　　流動當中還有兩種現象，一個叫做渦，一個叫做波。熱帶氣旋就是漩渦，今年美國的龍卷風很厲害，造成的人員傷亡嚴重；至于波動現象，是擾動在介質中的傳播，如：海洋當中的風浪，是人們看不見的內波。在超聲速流動中會有激波現象出現。　　