基本介紹
- 中文名：簡單流體
- 外文名：Simple fluid
- 屬於：流體力學
- 流體：是氣體和液體的總稱
- 粘滯性：低粘性
- 牛頓定律：多數情況下符合
特點,多數情況,特殊情況,發展歷史,出現,逐漸發展,理論基礎,重大進展,成熟,
特點
多數情況
受力後極易變形，層流厚度很薄，在層流厚度y上（從y=0到y=Y上）速度由0變到U,所以du/dy就近似等於U/Y。這裡是用差分來代替微分，近似體現了du/dy的最原始意義。
特殊情況
採用分子動力學模擬方法研究了Lennard—Jones（LJ）流體和硬球氣體的非牛頓現象。通過模擬庫特流和振盪流分析了簡單流體在定常剪下力和振盪剪下力作用下的流動行為，結果表明，LJ流體和硬球氣體在高剪下率下均表現出與複雜流體相似的剪下變稀，在高頻振盪作用下也均出現剪下率相對剪下力的相位滯後。模擬還發現高剪下率會引起LJ流體徑向分布函式和內部勢能的變化，但是硬球氣體由於其沒有內部勢能和固定的分子內部結構，傳統理論不能解釋上述結果。能質理論提出的能質（傳輸能量的等效質量）慣性導致非牛頓現象的觀點很好地解釋了簡單流體的非牛頓行為。
發展歷史
出現
流體力學是在人類同自然界作鬥爭和在生產實踐中逐步發展起來的。古埃及人在遠古時對尼羅河泛濫的治理，古時中國有大禹治水疏通江河的傳說;秦朝李冰父子帶領勞動人民修建的都江堰河道，現還在發揮著作用;大約與此同時，古羅馬人建成了大規模的供水管道系統等等。
對流體力學學科的形成作出第一個貢獻的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。此後千餘年間，流體力學沒有重大發展。
直到15世紀，義大利達·文西的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題;17世紀，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是隨著經典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質量、動量、能量三個守恆定律的奠定之後才逐步形成的。
逐漸發展
17世紀，力學奠基人牛頓研究了在流體中運動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關係。他針對粘性流體運動時的內摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是，牛頓還沒有建立起流體動力學的理論基礎，他提出的許多力學模型和結論同實際情形還有較大的差別。
之後，法國皮托發明了測量流速的皮托管;達朗貝爾對運河中船隻的阻力進行了許多實驗工作，證實了阻力同物體運動速度之間的平方關係;瑞士的歐拉採用了連續介質的概念，把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動;伯努利從經典力學的能量守恆出發，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗並加以分析，得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關係--伯努利方程。
歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標誌，從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。從18世紀起，位勢流理論有了很大進展，在水波、潮汐、渦旋運動、聲學等方面都闡明了很多規律。法國拉格朗日對於無旋運動，德國赫姆霍茲對於渦旋運動作了不少研究……在上述的研究中，流體的粘性並不起重要作用，即所考慮的是無粘流體。這種理論當然闡明不了流體中粘性的效應。
理論基礎
19世紀，工程師們為了解決許多工程問題，尤其是要解決帶有粘性影響的問題。於是他們部分地運用流體力學，部分地採用歸納實驗結果的半經驗公式進行研究，這就形成了水力學，它仍與流體力學並行地發展。1822年，納維建立了粘性流體的基本運動方程;1845年，斯托克斯又以更合理的基礎導出了這個方程，並將其所涉及的巨觀力學基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用現今的納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，它是流體動力學的理論基礎。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時的特例。
普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數學論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實際計算簡單情形下，邊界層內流動狀態和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，並廣泛地套用到飛機和汽輪機的設計中去。這一理論既明確了理想流體的適用範圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統一。
重大進展
20世紀初，飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發展。航空事業的發展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進了流體力學在實驗和理論分析方面的發展。20世紀初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學家，開創了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論，闡明了機翼怎樣會受到舉力，從而空氣能把很重的飛機托上天空。機翼理論的正確性，使人們重新認識無粘流體的理論，肯定了它指導工程設計的重大意義。
機翼理論和邊界層理論的建立和發展是流體力學的一次重大進展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結合起來。隨著汽輪機的完善和飛機飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴展了從19世紀就開始的，對空氣密度變化效應的實驗和理論研究，為高速飛行提供了理論指導。20世紀40年代以後，由於噴氣推進和火箭技術的套用，飛行器速度超過聲速，進而實現了航天飛行，使氣體高速流動的研究進展迅速，形成了氣體動力學、物理-化學流體動力學等分支學科。
成熟
以這些理論為基礎，20世紀40年代，關於炸藥或天然氣等介質中發生的爆轟波又形成了新的理論，為研究核子彈、炸藥等起爆後，激波在空氣或水中的傳播，發展了爆炸波理論。此後，流體力學又發展了許多分支，如高超聲速空氣動力學、超音速空氣動力學、稀薄空氣動力學、電磁流體力學、計算流體力學、兩相(氣液或氣固)流等等。
這些巨大進展是和採用各種數學分析方法和建立大型、精密的實驗設備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起，電子計算機不斷完善，使原來用分析方法難以進行研究的課題，可以用數值計算方法來進行，出現了計算流體力學這一新的分支學科。與此同時，由於民用和軍用生產的需要，液體動力學等學科也有很大進展。
20世紀60年代，根據結構力學和固體力學的需要，出現了計算彈性力學問題的有限元法。經過十多年的發展，有限元分析這項新的計算方法又開始在流體力學中套用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為複雜問題中，優越性更加顯著。21世紀以來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。
從20世紀60年代起，流體力學開始了流體力學和其他學科的互相交叉滲透，形成新的交叉學科或邊緣學科，如物理-化學流體動力學、磁流體力學等;原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學就是一個例子。
