CFD基礎課程系列 (3)：第3章第1部分 流體流動基礎知識
在這個《CFD基礎課程系列》里，針對剛剛開始，或者將要開始進行熱流體仿真的工程師，我們盡量通過通俗易懂的語言和直觀的現象來闡述CFD的概念。在第2章，我們介紹了熱流體仿真中常用的流體特性以及它們的物理意義。在第3章，我們將討論流體流動的表現方法和流動的一些性質，由于內容比較多，將分3次發布。
在這章節我們介紹流體流動和流動的性質。所有的單位都以SI 單位制為準。
3.1 流體流動的表現方法
流動就是流體的移動。許多場合流動的形態并不是肉眼能夠直接看到的。因此，需要一些方法來反映和體現流體流動。在這一節，我們介紹一些具有代表性的表現方法。
3.1.1 速度、速率及流量
速度和速率都是單位時間流體移動的距離，其單位是 [m/s] 。“速度”，或者“流速”指的是單位時間流體的移動距離和前進方向。這個同時具有大小和方向的量稱為矢量。而“速率”，或者“流速的大小”只反映了移動距離。只有大小的量稱為標量。比如，“風速 5 m/s” 是一個標量，而“北風 5 m/s”包含了方向，是一個矢量。
圖3.1所示5 m/s 的西風和東風。考慮速率時，由于速度的大小都是5 m/s，兩者是一致的。但是，因為速度包含了方向，由于風向的不同，兩者的速度是不同的。
圖3.1 速度和速率的關系
流量是單位時間通過一個截面的流體體積，單位是 [m3/s] ，也稱為體積流量，可以將截面的面積乘上與面垂直的流動速度來求得。同樣，單位時間通過的質量被稱為質量流量，單位為 [kg/s] ，由體積流量乘以流體的密度求得。
圖3.2 速度和流量
3.1.2 壓力
壓力是單位面積上作用的力 [Pa] 。壓力的值乘上作用的面積就成為力（單位是[N]）。標準大氣壓為101,325 Pa，在1 m2 物體的面積上加載了相當10 t 的力。
圖3.3 標準大氣壓
3.1.3 流線和脈線、跡線
流體的流動可以用流線，脈線和跡線來直觀的表現。
流線是某一時刻下的流速矢量的光滑連線。也可以說它是在某一時刻下流體流動的抓拍。
圖3.4 流線
脈線是相繼通過空間一個固定點的流體質點連成的曲線成為脈線，也稱為煙線或染色線。
圖3.5 流脈線
跡線是特定的流體粒子的移動軌跡。比如，考慮空中飛翔的風箏，風箏的運動軌跡就是它的流跡線。
圖3.6 流跡線
流體的流動形態不隨時間變化的情況下（這種流動被稱為定常流動）流線和脈線，跡線完全一致。但是如果流動形態隨時間變化的情況下（這種流動被稱為非定常流動），必須注意這些流動表現方法的結果是不一樣的。
比如，從特定時間開始的10秒風是向南吹的，接下來的10秒風轉向東吹的情形，我們來看看流線和脈線，跡線的差別。
流線與以前的流動沒有關系，完全由所定時間的流速矢量決定。所以最初的10秒流線是均勻向南，后來的10秒的流線均勻向東。
圖3.7 流線示例
而脈線就不一樣了。最初的10秒向南前進，當風轉東向之后，不僅10秒為止的流脈線向東漂移，以后的流脈線都向東面流出，20秒后的流脈線如圖3.8所示。
圖3.8 脈線示例
最初10秒的跡線向南前進，10秒以后風向轉為東向之后,跡線的尖端向東延伸。20秒后的結果如圖3.9所示變成折線。
圖3.9 跡線示例
仿真或者試驗結果可視化時，瞬態流場不同的表現方式會展現出不同的結果，所以充分理解流場不同的表現方法非常重要。
在第3章第2部分，我們將介紹流體的一些主要性質，比如，壓縮性/非壓縮性，定場/非定場，以及重要的伯努利定理。
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