本節書摘來自異步社區《FLUENT 14流場分析自學手冊》一書中的第1章，第1.2節，作者：張惠 , 康士廷著，更多章節內容可以訪問云棲社區“異步社區”公眾號查看

1.2 流體運動的基本概念

FLUENT 14流場分析自學手冊
本節簡要介紹流體運動的幾個基本概念，這些概念都是有關流體運動的最基本的術語，讀者有必要了解一下。

1.2.1 層流流動與紊流流動
當流體在圓管中流動時，如果管中流體是一層一層流動的，各層間互不干擾、互不相混的，這樣的流動狀態稱為層流流動。當流速逐漸增大時，流體質點除了沿管軸向運動外，還有垂直于管軸向方向的橫向流動，即層流流動已被打破，完全處于無規則的亂流狀態，這種流動狀態稱為紊流或湍流。流動狀態發生變化（從層流到紊流）時的流速稱為臨界速度。

大量實驗數據與相似理論證實，流動狀態不僅取決于臨界速度，而是由綜合反映管道尺寸、流體物理屬性、流動速度的組合量—雷諾數來決定的。雷諾數Re定義為：

式中，d為管道直徑，V為平均流速，μ為動力黏性系數。

由層流開始轉變到紊流時所對應的雷諾數稱為上臨界雷諾數，用 $\operatorname{Re} _{cr}^' $ 表示；由紊流轉變到層流所對應的雷諾數稱為下臨界雷諾數，用Recr表示。通過比較實際流動的雷諾數Re與臨界雷諾數，就可確定黏性流體的流動狀態。

（1）當Re

在工程應用中，取Recr=2000。當Re<2000時，流動為層流運動，當re>2000時，流動為紊流運動。

實際上，雷諾數反映了慣性力與黏性力之比，雷諾數越小，表明流體黏性力作用越大，能夠減弱引起紊流流動的擾動，保持層流狀態；雷諾數越大，表明慣性力對流體的作用越明顯，易使流體質點發生紊流流動。

1.2.2 有旋流動與無旋流動
有旋流動是指流場中各處的旋度（流體微團的旋轉角速度）不等于零的流動，無旋流動是指流場中各處的旋度都為零的流動。流體質點的旋度是一個矢量，用ω表示，其表達式為：

若ω=0，則稱流動為無旋流動，否則為有旋流動。

流體運動是有旋還是無旋，取決于流體微團是否有旋轉運動，與流體微團的運動軌跡無關。流體流動中，如果考慮黏性，由于存在摩擦力，這時流動為有旋流動；如果黏性可以忽略，而流體本身又是無旋流，如均勻流，這時流動為無旋流動。例如均勻氣流流過平板，在緊靠壁面的附面層內，需要考慮黏性影響。因此，附面層內為有旋流動，附面層外的流動，黏性可以忽略，因此可視為無旋流動。

1.2.3 聲速與馬赫數
聲速是指微弱擾動波在流體介質中的傳播速度，它是流體可壓縮性的標志，對于確定可壓縮流的特性和規律起著重要作用。聲速表達式的微分形式為：

當聲音在氣體中傳播時，由于在微弱擾動的傳播過程中，氣流的壓強、密度和溫度的變化都是無限小量，若忽略黏性作用，整個過程接近可逆過程，同時該過程進行得很迅速，又接近一個絕熱過程，所以微弱擾動的傳播可以認為是一個等熵的過程。對于完全氣體，聲速又可表示為：

式中，k為比熱比，R為氣體常數。

上述公式只能用來計算微弱擾動的傳播速度。對于強擾動，如激波、爆炸波等，其傳播速度比聲速大，并隨波的強度增大而加快。

流場中某點處氣體流速V與當地聲速c之比稱為該點處氣流的馬赫數，用Ma表示，其表達式為：

馬赫數表示氣體宏觀運動的動能與氣體內部分子無規則運動的動能（即內能）之比。當Maleqslant0.3時，密度的變化可以忽略，當Ma>0.3時，就必須考慮氣流壓縮性的影響。因此，馬赫數是研究高速流動的重要參數，是劃分高速流動類型的標準。當Ma>1時，為超聲速流動，當Ma<1時，為亞聲速流動，當ma≈1時，為跨聲速流動，當ma>3時，為超高聲速流動。超聲速流動與亞聲速流動的規律有本質的區別，跨聲速流動兼有超聲速與亞聲速流動的某些特點，是更復雜的流動。

1.2.4 膨脹波與激波
膨脹波與激波是超聲速氣流特有的重要現象，超聲速氣流在加速時要產生膨脹波，減速時一般會出現激波。

當超聲速氣流流經由微小外折角所引起的馬赫波時，氣流加速，壓強和密度下降，這種馬赫波就是膨脹波。超聲速氣流沿外凸壁流動的基本微分方程表達式為：

當超聲速氣流繞物體流動時，在流場中往往出現強壓縮波，即激波。氣流經過激波后，壓強、溫度和密度均突然升高，速度則突然下降。超聲速氣流被壓縮時一般都會產生激波，所以激波是超聲速氣流中的重要現象之一。按照激波的形狀，可將激波分為以下3類。

（1）正激波：氣流方向與波面垂直。

（2）斜激波：氣流方向與波面不垂直。例如，當超聲速氣流流過楔形物體時，在物體前緣往往會產生斜激波。

（3）曲線激波：波形為曲線形。

設激波前的氣流速度、壓強、溫度、密度和馬赫數分別為v 1，p 1，T 1，ρ 1和Ma，經過激波后突然增加到v 2，p 2，T 2和ρ 2，則激波前后氣流應滿足以下方程。

據此，可得出激波前后參數的關系：

總結

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