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流体力学分支及其概述：班级：硕5015学号：2015/12/20目录流体力学分支..............................................................................2地球流体力学..............................................................................2学科的形成...............................................................................2研究的地球流体运动类型：......................................................2水动力学.....................................................................................4研究容......................................................................................5水动力学的应用........................................................................6气动力学.....................................................................................7容介绍......................................................................................7渗流力学.....................................................................................9物理-化学流体动力学................................................................10研究对象................................................................................11研究容....................................................................................11等离子体动力学和电磁流体力学................................................12环境流体力学............................................................................12生物流变学...............................................................................12流体力学分支流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体。所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。地球流体力学流体力学的一个分支，研究地球以及其他星体上的自然界流体的宏观运动，着重探讨其尺度运动的一般规律。它是20世纪60年代发展起来的一个新学科。geophysicalfluiddynamics按字义为地球物理流体力学，由于考虑到地球和自然界还有包含化学反应的许多流动过程也日渐成为这一学科的研究容，故以译作地球流体力学为宜。另外，这个学科在国际上还有一些别的名称，其中一个比较流行的是自然流体力学(naturalfluiddynamics)。学科的形成近百年来，人类对天气预报、航海和海洋资源开发的需要不断增长，大气大尺度运动和海洋大尺度运动的研究得到了发展，逐渐形成了大气动力学和海洋动力学。随着空间科学技术的发展，研究近地空间和其他星体的流体运动已成为现实，而随着地质和地球物理学的发展，研究地幔运动也成为重要的课题。流体力学的一般原理虽然也适用于上述自然界流体运动，但像天气系统和大洋环流等流体运动是由自然界中巨大的能源所推动，其时间尺度和空间尺度都比气体动力学和水动力学（见液体动力学）等与生产技术有关的流体运动的尺度要大得多，而引力、星体的自旋以及能量的交换和转移过程又在其中起着主要作用，因而这些流动具有非常鲜明的特点和共同的基本规律。研究这些共同的基本规律能使人类对大气或海洋等各种具体运动的特点和规律有深刻的认识。地球流体力学正是在这种背景下逐渐形成的。研究的地球流体运动类型：地球流体运动按空间尺度或性质可分为下列数种类型：重力－惯性波、行星波、埃克曼流、大气和大洋环流、涡旋、重力波和对流等。后三者为一般流体力学所共有，这里不单独解释。①重力-惯性波。地球流体的一种基本运动形式，由重力和科里奥利力共同作用所形成。相速（见波）远大于流速。若波长较短，则科里奥利力影响极小，与通常分层流动中的重力波无异。若波长较长，特别是和地球（或别的行星）同量级时，科里奥利力影响明显，则波的相速和结构都与重力波明显不同。②行星波。地球的大气运动、海洋运动和其他行星大气大尺度运动的最明显和最重要的形式，流场弯曲如波状，波长大都与行星半径同量级（在洋流中波长较短），因而得名。又称罗斯比-阿尔文波或罗斯比波。行星波与大型天气系统密切相关，又是大气环流或大洋环流的主要组成部分，故为大气动力学、海洋动力学和地球流体力学的主要研究对象。行星波的相速和流速同量级，涡量远大于散度，故又称涡旋波。其产生机制是行星表面各处的科里奥利参数不均匀，即行星大气涡量的地面法向分量存在梯度，从而使流体微团在运动过程中改变其相对涡量，形成波动。事实上，若ω=0，和式（1）相应的线性方程除有重力波解外，还有定常的涡旋场解。若ω0，则涡旋场为非定常，成为涡旋波；且忽略二维可压缩性（取二维散度为零）时，它也存在；能量来源于流体运动自身的惯性，故又称为惯性波。③埃克曼流。行星边界层的流动。其主要特征是流体速度水平分量沿高度呈螺线变化，称埃克曼螺线。这是由于层流体速度因粘性力作用而减小，使科里奥利力与压强梯度、重力之间失去平衡的结果。埃克曼流常伴有铅直速度，称埃克曼抽吸，影响行星边界层外的大尺度运动。④大气环流。大气中各种大尺度运动的全体组成的具有最大空间尺度的运动。已发现两种非常不同的大气环流型：a罗斯比环流型由明显的行星波组成的非轴对称的大气环流型，为纪念阐明行星波的罗斯比而命名。地球大气环流即属此型。b哈得莱环流型大气环流表现为对星体自旋轴对称和准对称的大气环流型。由G.哈得莱首先阐明，故名。木星大气环流即属此型。大气环流型主要取决于星体自转角速度ω以及星体大气受太阳辐射而造成极地和赤道之间的温差|ΔT|。若大气加热呈轴对称分布而星体不自转，则热量交换取纯对流形式，即热气反抗重力作用而上升，冷气下沉且从底层流向暖区，此即纯哈得莱环流型。但若星体自转，则在科里奥利力作用下，大气运动中沿子午圈的速度分量vθ产生沿纬圈上的速度分量vλ。ω和|vθ|愈大，则|vλ|愈大。大到一定程度后，由这种轴对称运动所导致的热量沿子午圈的流量过小，积集起来的热量由非轴对称的水平方向的运动来输送，形成明显的行星波，大气环流变为罗斯比环流型。故当ω和|ΔT|为中等大小时，大气环流为罗斯比环流型。但若|ΔT|固定而ω增到一定程度，或ω固定而|ΔT|增加过大，则|vλ|过大，轴对称环流又占主要地位，转变为哈得莱环流型。人类经历了两百多年的研究，特别是最近三十年通过旋转圆盘流体运动的模拟实验以及相应的理论分析才最后弄清上述机理，这对认识大气环流的本质有很重要的意义。若大气环流为罗斯比环流型，则在一些纬度带，暖气下沉，冷气上升，和哈得莱环流型的情况相反。这些地带的子午圈环流称为反哈得莱环流。地球大气在中纬度地区即属此情况。⑤大洋环流。地球洋中各种大尺度运动的全体组成的最大空间尺度的运动。大洋环流和大气环流有许多共性，但海岸的几何约束对洋流有明显影响，使其具有特点。最简单的一种大洋环流模式是惯性洋流。在这种模式中，风应力、科里奥利力和惯性力三者互相平衡。在开阔洋面上，洋流为风应力所驱动，然后受惯性力作用流向海岸地带，科里奥利力随纬度的变化使向西流动的洋流加速，称西向强化现象；子午线走向的海岸的几何约束，使洋流转而流向高纬地区并强化（北向强化现象）。这是大西洋湾流和太平洋暖流（即黑潮）的显著特点。地球流体运动也常按科里奥利力影响的程度分为准地转运动和非地转运动两大类：①准地转运动。满足Ro1和Ek1的运动。在这类运动中，重力、压强梯度力和科里奥利力三者几乎平衡，且运动为准水平的，沿重力方向的速度分量很小。大气和海洋环流、行星波以及大尺度涡旋属于准地转运动，是地球流体大尺度运动的主要类型。②非地转运动。除准地转运动外的地球流体运动。在这类运动中，重力、压强梯度力和科里奥利力三者不处于几乎平衡状态。在自由流体中，Ro1不成立。重力-惯性波、重力波、对流、尺度较小的强涡旋和埃克曼流属于非地转运动。水动力学研究水及其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科，又称水动力学。液体动力学和气体动力学组成流体动力学。人类很早就开始研究水的静止和运动的规律，这些规律也可适用于其他液体和低速运动的空气。20世纪以来，随着航空、航天、航海、水能、采油、医学等部门的发展，与流体动力学相结合的边缘学科不断出现并充实了液体动力学的容。液体动力学研究的方法有现场观测、实验模拟、理论分析和数值计算。研究容液体运动受两个主要方面的影响：一是液体本身的特性；另一是约束液体运动的边界特性。根据这些特性的改变，液体动力学的主要研究容有：理想液体运动可忽略粘性的液体称为理想液体。根据普朗特的边界层理论，在边界层以外的区域中，粘性力可以不予考虑，因此理想液体的运动规律在特定条件下仍可应用。在普朗特以前，在这一领域曾进行过很多研究(见有环量的无旋运动，拉普拉斯无旋运动)。液体的压缩性很小；只有在几种情况下，如管道中的水击、水中声波、激波传播等，才要考虑液体的可压缩性。粘性液体运动有些液体（如润滑油）的粘性很大，分析这些液体流动状态时必须予以考虑(见润滑理论,斯托克斯流动）。另外，分析船舶的摩擦阻力、边界层和波浪间的干扰、船舶和潜体的尾流等都必须考虑液体的粘性。空化液体流经压力足够低的区域时，就会气化并在液体部或液固交界面上形成空泡。水中常含有直径从几十到几百微米的气泡（称为气核），有气核存在才会发生空化。空泡的溃灭产生冲击，引起边壁材料的剥蚀和破坏（见空蚀）。多相流挟有固体颗粒、掺有气泡或兼有两者的液体流动称为多相流。最常见的有河道中的含沙水流（见泥沙运动）；其次是掺气水流和发生空化后带有空泡的液体流动(见空泡流理论)。气核能影响声波的传播，当水中所含的气核与水的体积比大于10-3时,水中声速就会小于空气中的声速(纯水中的声速约为空气声速的五倍)。非牛顿流体流动有些液体（如含沙量高的水）的剪应力和剪切变形速率不成线性关系，这些液体属于非牛顿流体。加入高分子聚合物的水也是非牛顿流体，这种流体对在其中运动的物体的阻力低得多（见非牛顿流体力学）。自由表面流动液体流动的部分边界可以是液体和空气的分界面，沿这一部分边界的压力接近常数。河道、渠道、海洋流动皆属于这一类型，称为无压流。自由表面流动的围很广，包括明槽流、河道非定常流、波浪运动等（见液体自由表面波）。由于造船工程、水利工程的需要，自由表面流动的研究工作早已开始。海洋工程的发展，对这方面的研究又提出新的要求（见海洋结构物水动力学）。有时由于在液体流动区域中形成空腔而有局部和气体接触的自由表面，如鱼雷、导弹在水中运动时引起空化而形成的空腔、从空中进入水中时带入空气而形