流体动力学是研究流体运动的学科，包括两种流体相互接触时的相互作用。在这种情况下，术语“流体”指液体或气体。这是一种宏观的、统计的方法，用于大规模分析这些相互作用，将流体视为物质的连续统一体，通常忽略液体或气体由单个原子组成的事实。

流体动力学是流体力学的两个主要分支之一，另一个分支是流体静力学，即对静止流体的研究。（也许并不奇怪，流体静力学在大多数情况下可能被认为不如流体动力学那么令人兴奋。）

流体动力学的关键概念

每门学科都涉及对理解其运作方式至关重要的概念。这里是一些你在试图理解流体动力学时会遇到的主要问题。

基本流体原理

流体静力学中应用的流体概念在研究运动中的流体时也起作用。流体力学中最早的概念是浮力，由阿基米德在古希腊发现。

当流体流动时，流体的密度和压力对于理解它们如何相互作用也至关重要。粘度决定了液体变化的阻力，因此在研究液体运动时也很重要。以下是这些分析中出现的一些变量：

• 体积粘度：μ
• 密度：ρ
• 运动粘度：ν=μ/ρ

流

由于流体动力学涉及到对流体运动的研究，必须理解的第一个概念之一是物理学家如何量化这种运动。物理学家用来描述液体运动的物理性质的术语是流动。流动描述了广泛的流体运动，如通过空气吹扫、流经管道或沿表面流动。根据流体的各种特性，流体的流动以各种不同的方式进行分类。

稳定流与非稳定流

如果流体的运动不随时间变化，则视为稳定流动。这是由一种情况决定的，在这种情况下，流动的所有性质相对于时间保持不变，或者可以说，流场的时间导数消失。（有关了解导数的更多信息，请查看微积分。）

稳态流动的时间依赖性更小，因为所有流体特性（不仅仅是流动特性）在流体中的每个点都保持不变。因此，如果你有一个稳定的流动，但是流体本身的性质在某个点上发生了变化（可能是因为在流体的某些部分有一个引起时间相关涟漪的屏障），那么你会有一个不是稳定状态流动的稳定流。

不过，所有稳态流动都是稳态流动的例子。以恒定速率流过直管的电流就是稳态流（也是稳态流）的一个例子。

如果流体本身具有随时间变化的特性，则称为非定常流或瞬变流。暴雨期间流入排水沟的雨水就是不稳定流的一个例子。

一般来说，稳定流比不稳定流更容易处理问题，这是人们所期望的，因为不必考虑流随时间的变化，随着时间的推移而变化的事物通常会使事情变得更复杂。

层流与湍流

液体的平滑流动称为层流。包含看似混沌的非线性运动的流体称为湍流。根据定义，湍流是一种非定常流。

这两种类型的流动都可能包含涡流、漩涡和各种类型的再循环，尽管存在的此类行为越多，流动就越有可能被归类为湍流。

流体是层流还是湍流的区别通常与雷诺数（Re）有关。1951年，物理学家乔治·加布里埃尔·斯托克斯首次计算了雷诺数，但它是以19世纪科学家奥斯本·雷诺兹的名字命名的。

雷诺数不仅取决于流体本身的特性，还取决于其流动条件，以惯性力与粘性力之比的形式导出，如下所示：

术语dV/dx是速度的梯度（或速度的一阶导数），它与速度（V）除以L成正比，表示长度的刻度，结果是dV/dx=V/L。二阶导数是d2V/dx2=V/L2。将这些替换为一阶导数和二阶导数会导致：

也可以除以长度标度L，得到每英尺的雷诺数，指定为Re f=V/ν。

低雷诺数表示平滑的层流。高雷诺数表示流动将表现出漩涡和漩涡，通常会更加湍流。

管道流量与明渠流量

“管道流”表示在所有侧面与刚性边界接触的流，例如流经管道的水（因此称为“管道流”）或流经风道的空气。

明渠水流描述了至少有一个自由表面不与刚性边界接触的其他情况下的水流。（从技术上讲，自由表面具有0平行切变应力。）明渠水流的情况包括流经河流的水、洪水、雨中流动的水、潮流和灌溉渠。在这些情况下，与空气接触的流水表面代表水流的“自由表面”。

管道中的流动由压力或重力驱动，但明渠中的流动仅由重力驱动。城市供水系统通常使用水塔来利用这一点，因此水塔中的水的高差（水动力压头）会产生一个压差，然后通过机械泵进行调整，将水输送到系统中需要的位置。

可压缩与不可压缩

气体通常被视为可压缩流体，因为含有它们的体积可以减小。一个风道可以缩小一半，并且仍然以相同的速率输送相同数量的气体。即使气体流经风道，某些区域的密度也会高于其他区域。

作为一般规则，不可压缩意味着流体任何区域的密度在流经流体时不随时间变化。当然，液体也可以被压缩，但对压缩量有更多的限制。因此，液体通常被建模为不可压缩的。

伯努利原理

伯努利原理是流体动力学的另一个关键要素，发表在丹尼尔·伯努利1738年的《流体力学》一书中。简言之，它将液体中速度的增加与压力或势能的降低联系起来。对于不可压缩流体，这可以用伯努利方程来描述：

式中，g是重力引起的加速度，ρ是整个液体的压力，v是给定点的流体流速，z是该点的高程，p是该点的压力。因为这在流体中是常数，这意味着这些方程可以将任意两点1和2与以下方程联系起来：

基于海拔高度的液体压力和势能之间的关系也通过帕斯卡定律联系起来。

流体力学的应用

地球表面的三分之二是水，地球被大气层所包围，所以我们在任何时候都被流体所包围。。。几乎总是在运动。

想一想，这就很明显，运动的流体会有很多相互作用，我们需要科学地研究和理解。当然，这就是流体动力学的用武之地，所以应用流体动力学概念的领域并不缺乏。

该列表并非详尽无遗，但很好地概述了流体动力学在一系列专业的物理学研究中的表现方式：

• 海洋学、气象学和气候科学——由于大气被建模为流体，因此对理解和预测天气模式和气候趋势至关重要的大气科学和洋流的研究在很大程度上依赖于流体动力学。
• 航空-流体动力学的物理涉及研究气流以产生阻力和升力，进而产生允许比空气重的飞行的力。
• 地质学和地球物理学-板块构造学涉及研究地球液核内加热物质的运动。
• 血液学和血液动力学-血液的生物学研究包括对其通过血管的循环的研究，并且可以使用流体动力学的方法对血液循环进行建模。
• 等离子体物理-虽然既不是液体也不是气体，但等离子体的行为方式通常与流体相似，因此也可以使用流体动力学建模。
• 天体物理学和宇宙学-恒星演化过程涉及恒星随时间的变化，这可以通过研究组成恒星的等离子体随时间如何在恒星内流动和相互作用来理解。
• 交通分析——也许流体动力学最令人惊讶的应用之一是了解交通的运动，包括车辆和行人交通。在交通足够密集的区域，可以将整个交通体视为一个单独的实体，其行为方式与流体流动大致相似。

流体动力学的替代名称

流体动力学有时也被称为流体动力学，尽管这更像是一个历史术语。在整个二十世纪，“流体动力学”一词变得更加常用。

从技术上讲，更恰当的说法是，流体动力学应用于运动中的液体，而空气动力学应用于运动中的气体。

然而，在实践中，流体动力学稳定性和磁流体动力学等专门主题使用“hydro-”前缀，即使它们将这些概念应用于气体的运动。