認(rèn)識(shí)流體之壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流

1、不可壓縮流和可壓縮流

壓縮性是流體的基本屬性。

任何流體都是可以壓縮的，只不過(guò)可壓縮的程度不同而已。

液體的壓縮性都很小，隨著壓強(qiáng)和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在大多數(shù)情況下，可以忽略壓縮性的影響，認(rèn)為液體的密度是一個(gè)常數(shù)。

氣體的壓縮性都很大。從熱力學(xué)中可知，當(dāng)溫度不變時(shí)，完全氣體的體積與壓強(qiáng)成反比，壓強(qiáng)增加一倍，體積減小為原來(lái)的一半；當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度升高1℃體積就比0℃時(shí)的體積膨脹1/273。所以，通常把氣體看成是可壓縮流體，即它的密度不能作為常數(shù)，而是隨壓強(qiáng)和溫度的變化而變化的。我們把密度隨溫度和壓強(qiáng)變化的流體稱為可壓縮流體。把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體，都不是絕對(duì)的。在實(shí)際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。

2、牛頓流體與非牛頓流體

 考慮流體的剪切應(yīng)力和速度梯度之間的關(guān)系。如果流動(dòng)過(guò)程中流體層間所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，而與壓力無(wú)關(guān)，則這種流體為牛頓流體。

非牛頓流體廣是指不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，指的是其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體，粘性隨著剪切力或者剪切速率而變化而改變。非牛頓流體其實(shí)很常見，絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。比如人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。

太（白）粉溶液是典型的非牛頓流體，它的主要特征是：流體的粘度會(huì)因?yàn)槭艿降膲毫蛩俣榷兓?，壓力越大速度越快，粘度?huì)增加，甚至可以成為暫時(shí)性的固體。一盆太（白）粉的水溶液，如果你將手緩慢的插入水溶液中你的手會(huì)沒入其中，當(dāng)你拿出來(lái)時(shí)手上會(huì)沾滿白色的太（白）粉溶液。可是當(dāng)你用力搥打非牛頓流體時(shí)，接觸面因?yàn)閴毫Υ蠖扯仍黾?，它就?huì)“變硬”。

3、定常流和非定常流

流體（氣體、液體）流動(dòng)時(shí)，若流體中任何一點(diǎn)的壓力，速度和密度等物理量都不隨時(shí)間變化，則這種流動(dòng)就稱為定常流動(dòng)，也可稱之為“穩(wěn)態(tài)流動(dòng)”或者“恒定流動(dòng)”；反之，只要壓力，速度和密度中任意一個(gè)物理量隨時(shí)間而變化，流體就是作非定常流動(dòng)或者說(shuō)流體作時(shí)變流動(dòng)。通常在仿真時(shí)，與時(shí)間無(wú)關(guān)的歐拉速度場(chǎng)稱為定常流場(chǎng)，反之則稱為非定常流場(chǎng)。

按流動(dòng)隨時(shí)間變化的速率，非定常流動(dòng)可分為三類：

①  流場(chǎng)變化速率極慢的流動(dòng)：流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的平均速度隨時(shí)間逐漸增加或減小，這種流動(dòng)稱為準(zhǔn)定常流動(dòng)。水庫(kù)的排灌過(guò)程就屬于準(zhǔn)定常流動(dòng)。

②流場(chǎng)變化速率很快的流動(dòng)：在這種情況下須考慮加速度效應(yīng)?；钊剿没?a rel="nofollow">真空泵所造成的流動(dòng)，這類流動(dòng)和定常流動(dòng)有本質(zhì)上的差別。例如，用伯努利方程（見 伯努利定理）描述這類流動(dòng)，就須增加一個(gè)與加速度有關(guān)的項(xiàng)。

③流場(chǎng)變化速率極快的流動(dòng)：在這種情況下流體的彈性力顯得十分重要，例如瞬間關(guān)閉水管的閥門。閥門突然關(guān)閉時(shí)，整個(gè)流場(chǎng)中流體不可能立即完全靜止下來(lái)，速度和壓強(qiáng)的變化以壓力波（或 激波）的形式從閥門向上游傳播，產(chǎn)生很大的振動(dòng)和聲響，即所謂 水擊現(xiàn)象。

除上述三類流動(dòng)外，某些狀態(tài)反復(fù)出現(xiàn)的流動(dòng)也被認(rèn)為是一種非定常流動(dòng)。典型的例子是流場(chǎng)各點(diǎn)的平均速度和壓強(qiáng)隨時(shí)間作周期性波動(dòng)的流動(dòng)，即所謂脈動(dòng)流，這種流動(dòng)存在于汽輪機(jī)、活塞泵和壓氣機(jī)的進(jìn)出口管道中。

但是一般并不把 湍流的脈動(dòng)歸入這種流動(dòng)。兩者之間的差別在于：湍流脈動(dòng)參量偏離其平均值要比非定常流動(dòng)小得多，變化的時(shí)間尺度也短得多。