流体分类及黏性性质|ADINA有限元经典实例分析

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会遇到流体，例如，大气和水就是最常见的两种流体。按照流体的特性分为以下几类：

1.理想流体和黏性流体

流体在静止时虽然不能够承受切向力，但在运动时，任意相邻两层流体之间却包含相互作用的抵抗力，即：剪切力。流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的黏性。黏性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止状态还是流动状态，都具有黏性。黏性是流体状态（压力、温度、组成）的函数。气体的黏性随温度的升高而增大，液体的黏性则随温度的升高而减小。自然界中存在的流体都具有黏性，具有黏性的流体称为黏性流体。完全没有黏性的流体称为理想流体，自然界中并不存在真正的理想流体，但某些情况下可以将流体假设为无黏性流体。

2.牛顿流体和非牛顿流体

在介绍牛顿流体和非牛顿流体之前，首先应该掌握牛顿内摩擦定律，该定律表示流体内摩擦应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成正比，其关系式为：

式中，τ是流体内摩擦应力；Δn是法线方向的距离增量；Δu是与Δn对应的流体速度增量；μ是比例系数，称为流体的动力黏度，简称黏度。

牛顿流体指的是μ为常数的流体，即：遵循牛顿内摩擦定律的流体。不符合上述条件的均称为非牛顿流体。所有气体和大多数低相对分子质量的液体均属牛顿型流体，例如，水、空气等；而某些高分子溶液、油漆、血液等则都属于非牛顿流体。在ADINA软件中，非牛顿流体模型和牛顿流体模型的差别仅在于材料的定义有所不同。

3.可压缩流体和不可压缩流体

根据密度ρ是否为常数，可以将流体分为可压缩流体（compressible）与不可压缩流体（incompressible）两类。在温度不变的情况下，当密度ρ为常数时，流体为不可压缩流体，否则为可压缩流体。据此可以判断：空气为可压缩流体，水为不可压缩流体。

水的可压缩性非常小，压强每增加1atm（≈0.1MPa），其体积变化不到万分之一。工程中常用的其他工作液体（例如，液压油，机械油等），其体积模量的数值都很大。对于一般的工程计算，可以忽略其可压缩性，将其看做是不可压缩流体。

与液体相比，气体的可压缩性则大很多，因此在研究气流场时，当流速较低（＜0.3Ma）时可以认为是不可压缩流体；当流速较高时则需要考虑压强对气体密度的影响，某些情况下还需要考虑温度、压强对体积和密度的影响。

4.定常与非定常流动(www.xing528.com)

根据流体物理量（例如，速度、压力、温度等）是否随时间变化，可以将流动分为定常（steady）与非定常（unsteady）两类。如果流体的物理量不随时间变化，即∂（）/∂t=0时，则为定常流动（又称稳态流动）；当流动的物理量随时间变化，即∂（）/∂t≠0时，则为非定常流动，也称为非稳态流动（或瞬态流动）。

5.层流和湍流

自然界中的流体流动状态主要分为两种形式：层流和湍流。层流和湍流是两种不同性质的流态。层流时流体流速较低，质点受黏性制约而不能随意运动，黏性力起主导作用；湍流时液体流速较高，黏性制约作用减弱，惯性力起主导作用。液体流动时，通常使用雷诺数来判定究竟是层流还是湍流：雷诺数约等于2300（临界雷诺数）时，流体的流动状态从层流向湍流过渡；雷诺数小于临界雷诺数时，流动状态则为层流，反之为湍流。

雷诺数（Reynolds）是表征流体流动特性的一个重要参数。雷诺数的定义如下：

式中，u是管内的平均流速；ν是液体的运动黏度；d是管径。

运动黏度ν与动力黏度μ之间的关系如下：

式中，ρ是流体的密度。

因此式（7-2）还可以表示为：

对于非圆截面管道，可以进行下列简单等效：使用R代替上式中的d，R为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积A与它的湿周χ（通流截面上与液体接触的固体壁面的周长）之比，即：

用ADINA软件计算结果得到的雷诺数指的是单元雷诺数。雷诺数与流速、单元长度有关，因此，不同位置的雷诺数不同。