流體力學計算器

計算流體屬性:浮力、伯努利方程、流量、靜水壓強、斯托克斯定律與雷諾數。另見:計算器 | 力學 | 單位換算。
浮力(阿基米德):Fb = ρ·V·g。浮力等於排開流體的重量。
物體漂浮條件:Fb > mg(物體密度 < 流體密度)。
什麼是流體力學?

流體是任何能流動的東西——液體與氣體都是——流體力學把物質當作連續介質而非單個粒子來處理。兩條守恆定律承擔了幾乎一切:質量守恆(連續性方程,密度恆定時 Q = A·v)與沿流線的能量守恆(伯努利方程,P + ½ρv² + ρgh = 常數)。在此基礎上,真實流體通過黏性耗散能量,慣性與黏性之比——雷諾數 Re = ρvL/μ——決定流動保持有序(層流)還是破碎成渦旋(湍流)。本面板的六個計算器覆蓋了這套工作方程:阿基米德浮力、靜水壓強、沿流線的伯努利方程、流量、蠕流中球體的斯托克斯阻力,以及用於流態判別的雷諾數。

兩條守恆定律承擔主要工作:質量守恆給出連續性(Q = A·v,A1v1 = A2v2),沿流線的能量守恆給出伯努利(P + ½ρv² + ρgh = 常數)。其餘一切——浮力、靜水壓強、阻力——都是特例或推論。
阿基米德浮力——排開的重量

浸入流體的任何物體都受到一個向上的力,等於它排開流體的重量:Fb = ρ·V·g,ρ 為流體密度,V 為排開體積,g 為重力加速度。預設示例(ρ = 1000 kg/m³ 淡水,V = 0.01 m³,g = 9.81 m/s²)給出 Fb ≈ 98.1 N——即 10 kg 水的重量。這正是 10 kg 木塊(密度 700 kg/m³)半浸的原因:一半體積排開一半重量的水。物體平均密度小於流體密度時漂浮;大於時下沉;恰好相等時懸浮。氣體同樣適用,海平面 ρ 約 1.2 kg/m³——這就是氦氣球每升只能提起約 1 克的原因:密度差太小。

靜水壓強——液柱的重量

靜止流體中壓強隨深度線性增長:P = P0 + ρg·h,P0 為表面壓強(大氣壓,海平面 101,325 Pa)。預設示例(20 m 淡水)給出表壓 ρg·h = 196,200 Pa、總壓 297,525 Pa(約 2.94 atm,2.98 bar)。壓強只取決於深度和流體密度,與容器形狀無關——即“靜水佯謬”——因為深度 h 處的每個流體元上方都是同樣重量的液柱。帕斯卡原理:施加於封閉流體的壓強變化不衰減地傳到每一部分,這就是液壓機能放大力的原因:小活塞上的小力產生同樣的壓強,把大活塞以成比例的大力頂起。

伯努利——沿流線的能量

對定常、不可壓縮、無黏流動,單位體積的能量沿任意流線守恆:P + ½ρv² + ρgh = 常數。預設示例起點為大氣壓、v1 = 2 m/s、h1 = 10 m,終點 v2 = 4 m/s、h2 = 5 m——面板返回 P2 ≈ 144,375 Pa,常數約 201,425 Pa。高度下降換來電勢增壓;速度上升吃掉靜壓。這就是文丘裡管(管道收窄使流速加快、壓強下降)、化油器(喉道降壓吸油)、機翼(上表面加速氣流、降壓升翼)與皮托管(壓差測速)的工作原理。流動不定常、不可壓縮或無黏假設不成立時伯努利失效——尤其在高雷諾數下湍流使壓強嘈雜,公式只能做時間平均。翼型升力主要來自牛頓第三定律——把氣流向下方偏轉——伯努利壓差是簿記,不是原因。

流量——每秒多少

體積流量為 Q = A·v,A 為橫截面積,v 為平均速度。預設示例(A = 0.05 m²,v = 3 m/s)給出 Q = 0.15 m³/s = 150 L/s,即每分鐘 9 m³。對通過變徑管道的不可壓縮流動,質量守恆強制 A1·v1 = A2·v2:橫截面積減半,速度翻倍。這就是用拇指堵住水管口水柱射得更遠、河流在急流處收窄便形成白水的原因。連續性規則在任一瞬間都是區域性的;速度不會“記得”上游截面。對可壓縮流動(燃氣管線、噴氣發動機),正確的不變數是質量流量 ρA·v——不加不加流體時恆定。

斯托克斯阻力——流體阻力的層流端

半徑 r 的球體以低速在黏度 μ 的流體中運動時,阻力為 Fd = 6πμr·v。預設示例(μ = 0.001 Pa·s 水,r = 1 cm,v = 0.5 m/s)給出 Fd ≈ 9.42×10−5 N(約 94 μN)。該關係對 v 線性,因為低雷諾數下尾跡對稱、黏性主導;球體克服阻力做的功變成流體的黏性加熱。斯托克斯阻力只在 Re < 1 時成立——對水中 1 cm 的球意味著速度低於約 10−4 m/s。速度更高時阻力系數近似恆定,力按 v² 而非 v 標度。斯托克斯阻力控制灰塵在空氣中的沉降、細菌的遊動以及細泥沙在水中的下沉。

雷諾數——有序對混沌

無量綱比 Re = ρvL/μ 比較慣性力與黏性力。預設示例(水,v = 1 m/s,L = 0.1 m)給出 Re ≈ 100,000,深入湍流區。經驗上:Re < 約2,000 為層流(平滑、可預測、流線平行);Re > 約4,000 為湍流(混沌、混合、渦旋);兩者之間的窄帶為過渡區。主動脈血流(Re ~ 4,000)處於邊界;毛細血管(Re ~ 0.001) firmly 層流,適用斯托克斯阻力。機翼上的氣流被有意做成湍流以延緩流動分離。雷諾數是管道存在“臨界速度”(超過後泵送成本跳升)的原因,也是蠟燭煙柱先以平滑層流上升幾釐米再破碎成混沌捲曲的原因。

常見誤區
  • 阿基米德力來自底部向上推。它來自壓強對整個浸潤面的積分。底部壓強更高,但側面的貢獻也不為零,合力恰好等於排開流體的重量——這正是容器幾何不改變答案的原因。
  • 機翼產生升力是因為上表面更長、空氣“必須趕上”。升力來自由環量和翼型形狀產生的壓差;“等時理論”是民間推導,碰巧以錯誤的原因給出大致正確的數字。對低速機翼,主導機制是壓強分佈,而不是什麼“上表面加速”。
  • 斯托克斯定律在任何速度都成立。只在 Re < 1 時成立。1 cm 鋼球在水中下落幾毫米每秒就達到 Re = 1;超過後尾跡變得不對稱,阻力趨向 v² 行為。對任何類似彈珠的東西,斯托克斯都會低估阻力。
  • 壓強總是把流體向外推。靜止流體中壓強各向同性:向每個方向推得一樣多。浸沒表面上“來自下方的推力”只是同一壓強的向下分量——同一壓強也在每一平方釐米上側向和向上推。

相關工具:力學(力、功與能量)、熱力學(可壓縮流動與氣體動力學)以及單位換算器(Pa、bar、atm、psi 間的切換)。