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1、13. 观察流动观察流动（一）2基本概念及方法流体运动的描述3 流体运动的描述方法 流体质点运动的全部空间称为流场。由于流体质点运动的全部空间称为流场。由于流体质点运动的全部空间称为流场。由于流体质点运动的全部空间称为流场。由于流体是连续介质，所以描述流体运动的各物理流体是连续介质，所以描述流体运动的各物理流体是连续介质，所以描述流体运动的各物理流体是连续介质，所以描述流体运动的各物理量量量量 ( ( ( (如速度、加速度等如速度、加速度等如速度、加速度等如速度、加速度等) ) ) ) 均应是空间点的坐标均应是空间点的坐标均应是空间点的坐标均应是空间点的坐标和时间的连续函数。和时间的连续函数。
2、和时间的连续函数。和时间的连续函数。 流体力学中研究流体的运动有两种不同的流体力学中研究流体的运动有两种不同的流体力学中研究流体的运动有两种不同的流体力学中研究流体的运动有两种不同的方法，一种是方法，一种是方法，一种是方法，一种是拉格朗日拉格朗日拉格朗日拉格朗日（LagrangeLagrange）方法，另）方法，另）方法，另）方法，另一种是一种是一种是一种是欧拉欧拉欧拉欧拉（EulerEuler）方法。）方法。）方法。）方法。 4 拉格朗日拉格朗日拉格朗日拉格朗日方法又称随体法，是从分析流场中个别流体质方法又称随体法，是从分析流场中个别流体质方法又称随体法，是从分析流场中个别流体质方法又称随体
3、法，是从分析流场中个别流体质点着手来研究整个流体运动的。这种研究方法，最基本的参点着手来研究整个流体运动的。这种研究方法，最基本的参点着手来研究整个流体运动的。这种研究方法，最基本的参点着手来研究整个流体运动的。这种研究方法，最基本的参数是流体质点的位移，在某一时刻，任一流体质点的位置可数是流体质点的位移，在某一时刻，任一流体质点的位置可数是流体质点的位移，在某一时刻，任一流体质点的位置可数是流体质点的位移，在某一时刻，任一流体质点的位置可表示为：表示为：表示为：表示为： 加速度加速度加速度加速度：速度速度速度速度：x=x(a,b,c,t)，y=y(a,b,c,t) ，z=z(a,b,c,t)
4、5 欧拉欧拉欧拉欧拉法是考察通过固定空间位置点的不同液体质点的法是考察通过固定空间位置点的不同液体质点的法是考察通过固定空间位置点的不同液体质点的法是考察通过固定空间位置点的不同液体质点的运动状态，来了解整个运动空间内的流动情况，汇总这些运动状态，来了解整个运动空间内的流动情况，汇总这些运动状态，来了解整个运动空间内的流动情况，汇总这些运动状态，来了解整个运动空间内的流动情况，汇总这些情况即可了解整个液流的运动变化规律。情况即可了解整个液流的运动变化规律。情况即可了解整个液流的运动变化规律。情况即可了解整个液流的运动变化规律。 设在某一瞬时，观察到流场中各空间点上液体质点的设在某一瞬时，观察到
5、流场中各空间点上液体质点的设在某一瞬时，观察到流场中各空间点上液体质点的设在某一瞬时，观察到流场中各空间点上液体质点的流速，将这些流速综合在一起就构成了一个流速场，若求流速，将这些流速综合在一起就构成了一个流速场，若求流速，将这些流速综合在一起就构成了一个流速场，若求流速，将这些流速综合在一起就构成了一个流速场，若求得各瞬时的流速场，就可得流速场随时间的变化。因此，得各瞬时的流速场，就可得流速场随时间的变化。因此，得各瞬时的流速场，就可得流速场随时间的变化。因此，得各瞬时的流速场，就可得流速场随时间的变化。因此，流速应该是空间点坐标（流速应该是空间点坐标（流速应该是空间点坐标（流速应该是空间点
6、坐标（x x、y y、z z）和时间）和时间）和时间）和时间t t的函数，即：的函数，即：的函数，即：的函数，即：各方向的分量为：各方向的分量为：各方向的分量为：各方向的分量为：6加速度：加速度：加速度：加速度： 应用欧拉法时，常在流场中选取一固定空间区域来观应用欧拉法时，常在流场中选取一固定空间区域来观应用欧拉法时，常在流场中选取一固定空间区域来观应用欧拉法时，常在流场中选取一固定空间区域来观察流体的运动。这个固定空间称为控制体，它的边界称为察流体的运动。这个固定空间称为控制体，它的边界称为察流体的运动。这个固定空间称为控制体，它的边界称为察流体的运动。这个固定空间称为控制体，它的边界称为控
7、制面。控制体的位置、形状，体积相对于坐标系均固定控制面。控制体的位置、形状，体积相对于坐标系均固定控制面。控制体的位置、形状，体积相对于坐标系均固定控制面。控制体的位置、形状，体积相对于坐标系均固定不变，流体质点可以流进或流出控制面。不变，流体质点可以流进或流出控制面。不变，流体质点可以流进或流出控制面。不变，流体质点可以流进或流出控制面。7流体质点的加速度、质点导数流体质点的加速度流体质点的加速度流体质点的加速度流体质点的加速度同理：同理：同理：同理：8l l 表示在某一固定空间点上，液体质点速度对时间的变化率。也就表示在某一固定空间点上，液体质点速度对时间的变化率。也就表示在某一固定空间点
8、上，液体质点速度对时间的变化率。也就表示在某一固定空间点上，液体质点速度对时间的变化率。也就 是在同一地点，由于时间变化而引起的加速度，称为是在同一地点，由于时间变化而引起的加速度，称为是在同一地点，由于时间变化而引起的加速度，称为是在同一地点，由于时间变化而引起的加速度，称为当地加速度当地加速度当地加速度当地加速度。l l 其余几项表示液体质点在同一时刻因地点变化而引起的加速度，称为其余几项表示液体质点在同一时刻因地点变化而引起的加速度，称为其余几项表示液体质点在同一时刻因地点变化而引起的加速度，称为其余几项表示液体质点在同一时刻因地点变化而引起的加速度，称为 迁移加速度迁移加速度迁移加速度
9、迁移加速度。9哈密顿算子哈密顿算子哈密顿算子哈密顿算子D DD DD DD DD DD D（ ）D DD D随体导数10ABAB水位恒定：水位恒定：水位恒定：水位恒定：A -AA -A：不存在当地加速度和迁移加速度：不存在当地加速度和迁移加速度：不存在当地加速度和迁移加速度：不存在当地加速度和迁移加速度B -BB -B：不存在当地加速度，有迁移加速度：不存在当地加速度，有迁移加速度：不存在当地加速度，有迁移加速度：不存在当地加速度，有迁移加速度水位变化：水位变化：水位变化：水位变化：A -AA -A：有当地加速度，不存在迁移加速度：有当地加速度，不存在迁移加速度：有当地加速度，不存在迁移加速度
10、：有当地加速度，不存在迁移加速度B -BB -B：存在当地加速度和迁移加速度：存在当地加速度和迁移加速度：存在当地加速度和迁移加速度：存在当地加速度和迁移加速度11流体运动的基本概念流动的类型流动的类型流动的类型流动的类型按照流体性质划分：按照流体性质划分：按照流体性质划分：按照流体性质划分：可压缩流体的流动和不可压缩流体的流动；可压缩流体的流动和不可压缩流体的流动；可压缩流体的流动和不可压缩流体的流动；可压缩流体的流动和不可压缩流体的流动；理想流体的流动和粘性流体的流动；理想流体的流动和粘性流体的流动；理想流体的流动和粘性流体的流动；理想流体的流动和粘性流体的流动； 牛顿流体的流动和非牛顿流
11、体的流动；牛顿流体的流动和非牛顿流体的流动；牛顿流体的流动和非牛顿流体的流动；牛顿流体的流动和非牛顿流体的流动；按照流动特征区分：按照流动特征区分：按照流动特征区分：按照流动特征区分：有旋流动和无旋流动；层流流动和紊流流动；有旋流动和无旋流动；层流流动和紊流流动；有旋流动和无旋流动；层流流动和紊流流动；有旋流动和无旋流动；层流流动和紊流流动；定常流动和非定常流动；定常流动和非定常流动；定常流动和非定常流动；定常流动和非定常流动； 超声速流动和亚声速流动；超声速流动和亚声速流动；超声速流动和亚声速流动；超声速流动和亚声速流动；按照流动空间区分：按照流动空间区分：按照流动空间区分：按照流动空间区分
12、：内部流动和外部流动；内部流动和外部流动；内部流动和外部流动；内部流动和外部流动；一维流动、二维流动和三维流动；一维流动、二维流动和三维流动；一维流动、二维流动和三维流动；一维流动、二维流动和三维流动；12定常流动、非定常流动定常流动、非定常流动定常流动、非定常流动定常流动、非定常流动（steady and unsteady flowsteady and unsteady flow) ) ) )非定常流动：非定常流动：非定常流动：非定常流动：定常流动：定常流动：定常流动：定常流动：流动是否定常与所选取的参考坐标系有关。流动是否定常与所选取的参考坐标系有关。流动是否定常与所选取的参考坐标系有关。
13、流动是否定常与所选取的参考坐标系有关。一维流动、二维流动和三维流动一维流动、二维流动和三维流动一维流动、二维流动和三维流动一维流动、二维流动和三维流动一维流动：一维流动：一维流动：一维流动： 流动参数是一个坐标的函数；流动参数是一个坐标的函数；流动参数是一个坐标的函数；流动参数是一个坐标的函数；二维流动：二维流动：二维流动：二维流动： 流动参数是两个坐标的函数；流动参数是两个坐标的函数；流动参数是两个坐标的函数；流动参数是两个坐标的函数；三维流动：三维流动：三维流动：三维流动： 流动参数是三个坐标的函数。流动参数是三个坐标的函数。流动参数是三个坐标的函数。流动参数是三个坐标的函数。对于工程实际
14、问题，在满足精度要求的情对于工程实际问题，在满足精度要求的情对于工程实际问题，在满足精度要求的情对于工程实际问题，在满足精度要求的情况下，将三维流动简化为二维、甚至一维况下，将三维流动简化为二维、甚至一维况下，将三维流动简化为二维、甚至一维况下，将三维流动简化为二维、甚至一维流动，可以使得求解过程尽可能简化。流动，可以使得求解过程尽可能简化。流动，可以使得求解过程尽可能简化。流动，可以使得求解过程尽可能简化。 二维流动二维流动二维流动二维流动一维流动一维流动一维流动一维流动三维流动三维流动三维流动三维流动二维流动二维流动二维流动二维流动13流线与迹线流线与迹线流线与迹线流线与迹线（1 1 1
15、1）流线）流线）流线）流线某瞬时在流场中所作的一条空间曲线，曲线上各点速度某瞬时在流场中所作的一条空间曲线，曲线上各点速度某瞬时在流场中所作的一条空间曲线，曲线上各点速度某瞬时在流场中所作的一条空间曲线，曲线上各点速度 矢量与曲线相切。矢量与曲线相切。矢量与曲线相切。矢量与曲线相切。 流线可以形象地给出流场的流动状态。通过流线，流线可以形象地给出流场的流动状态。通过流线，流线可以形象地给出流场的流动状态。通过流线，流线可以形象地给出流场的流动状态。通过流线，可以清楚地看出某时刻流场中各点的速度方向，由流线的可以清楚地看出某时刻流场中各点的速度方向，由流线的可以清楚地看出某时刻流场中各点的速度方
16、向，由流线的可以清楚地看出某时刻流场中各点的速度方向，由流线的密集程度，也可以判定出速度的大小。流线的引入是欧拉密集程度，也可以判定出速度的大小。流线的引入是欧拉密集程度，也可以判定出速度的大小。流线的引入是欧拉密集程度，也可以判定出速度的大小。流线的引入是欧拉法的研究特点。法的研究特点。法的研究特点。法的研究特点。14性质：一般情况下不相交、不折转性质：一般情况下不相交、不折转流线微分方程流线微分方程（2 2 2 2）迹线）迹线）迹线）迹线质点运动的轨迹质点运动的轨迹质点运动的轨迹质点运动的轨迹迹线微分方程：对任一质点迹线微分方程：对任一质点迹线微分方程：对任一质点迹线微分方程：对任一质点迹
17、线微分方程迹线微分方程流线上任一点的切线方向与该点速度矢量一致15迹线和流线：迹线和流线：迹线和流线：迹线和流线：l l 迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线，与迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线，与迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线，与迹线是同一流体质点在不同时刻的位移曲线，与Lagrange观点对应；观点对应；观点对应；观点对应；l l 流线是同一时刻、不同流体质点速度向量的包络线，与流线是同一时刻、不同流体质点速度向量的包络线，与流线是同一时刻、不同流体质点速度向量的包络线，与流线是同一时刻、不同流体质点速度向量的包络线，与Euler观点对应。观点对应。观点对应。观点对应。l
18、l 在定常流情况下，流线不随时间变，迹线将沿着流线走，两者重合。在定常流情况下，流线不随时间变，迹线将沿着流线走，两者重合。在定常流情况下，流线不随时间变，迹线将沿着流线走，两者重合。在定常流情况下，流线不随时间变，迹线将沿着流线走，两者重合。流管流管流管流管在流场中作一不是流线的封闭周线在流场中作一不是流线的封闭周线在流场中作一不是流线的封闭周线在流场中作一不是流线的封闭周线C C C C，过该周线上的所有流线组，过该周线上的所有流线组，过该周线上的所有流线组，过该周线上的所有流线组成的管状表面。成的管状表面。成的管状表面。成的管状表面。流体不能穿过流管，流管就像真正的管子一样将其内外的流体
19、分开。定常流体不能穿过流管，流管就像真正的管子一样将其内外的流体分开。定常流体不能穿过流管，流管就像真正的管子一样将其内外的流体分开。定常流体不能穿过流管，流管就像真正的管子一样将其内外的流体分开。定常流动中，流管的形状和位置不随时间发生变化。流动中，流管的形状和位置不随时间发生变化。流动中，流管的形状和位置不随时间发生变化。流动中，流管的形状和位置不随时间发生变化。流束流束流束流束充满流管的一束流体。充满流管的一束流体。充满流管的一束流体。充满流管的一束流体。微元流束微元流束微元流束微元流束截面积无穷小的流束。截面积无穷小的流束。截面积无穷小的流束。截面积无穷小的流束。 微元流束的极限是流线
20、。微元流束的极限是流线。微元流束的极限是流线。微元流束的极限是流线。流管和流束流管和流束流管和流束流管和流束16微元流束和流线的差别微元流束和流线的差别微元流束和流线的差别微元流束和流线的差别：流束是一个物理概念，涉及流速、压强、动量、能量、流量等等；流束是一个物理概念，涉及流速、压强、动量、能量、流量等等；流束是一个物理概念，涉及流速、压强、动量、能量、流量等等；流束是一个物理概念，涉及流速、压强、动量、能量、流量等等；流线是一个数学概念，只是某一瞬时流场中的一条光滑曲线。流线是一个数学概念，只是某一瞬时流场中的一条光滑曲线。流线是一个数学概念，只是某一瞬时流场中的一条光滑曲线。流线是一个数
21、学概念，只是某一瞬时流场中的一条光滑曲线。 总流总流总流总流截面积有限大的流束。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的截面积有限大的流束。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的截面积有限大的流束。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的截面积有限大的流束。如河流、水渠、水管中的水流及风管中的气流都是总流。气流都是总流。气流都是总流。气流都是总流。元流与总流元流过流断面无限小的流束总流过流断面为有限大小的流束，它由无数元流构成流量体积流量质量流量不可压缩流体17均匀流动、非均匀流动均匀流动、非均匀流动均匀流动、非均匀流动均匀流动、非均匀流动均匀流动均匀流动均匀流动均匀流动非均匀流动非均匀流动非均匀流动非
22、均匀流动 根据流场中同一条流线各空间点上的流速是否相根据流场中同一条流线各空间点上的流速是否相根据流场中同一条流线各空间点上的流速是否相根据流场中同一条流线各空间点上的流速是否相同，可将总流分为均匀流和非均匀流。若相同则称为同，可将总流分为均匀流和非均匀流。若相同则称为同，可将总流分为均匀流和非均匀流。若相同则称为同，可将总流分为均匀流和非均匀流。若相同则称为均匀流，否则称为非均匀流。均匀流，否则称为非均匀流。均匀流，否则称为非均匀流。均匀流，否则称为非均匀流。18缓变流和急变流缓变流和急变流缓变流和急变流缓变流和急变流缓变流缓变流缓变流缓变流 流束内流线的夹角很小、流线的曲率半径很大，近乎平
23、行流束内流线的夹角很小、流线的曲率半径很大，近乎平行流束内流线的夹角很小、流线的曲率半径很大，近乎平行流束内流线的夹角很小、流线的曲率半径很大，近乎平行 直线的流动。否则即为直线的流动。否则即为直线的流动。否则即为直线的流动。否则即为急变流急变流急变流急变流。19缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流急变流急变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流缓变流急变流急变流急变流急变流急变流急变流急变流急变流20有效截面有效截面有效截面有效截面 流量流量流量流量 平均流速平均流速平均流速平均流速有效截面有效截面有效截面有效截面 在流束或者总流中，与所有流线都垂直
24、的截面。在流束或者总流中，与所有流线都垂直的截面。在流束或者总流中，与所有流线都垂直的截面。在流束或者总流中，与所有流线都垂直的截面。质量流量（质量流量（质量流量（质量流量（ ）：）：）：）：流流流流 量量量量 在单位时间内流过有效截面积的流体的量。在单位时间内流过有效截面积的流体的量。在单位时间内流过有效截面积的流体的量。在单位时间内流过有效截面积的流体的量。体积流量（体积流量（体积流量（体积流量（ ）：）：）：）：平均流速平均流速平均流速平均流速 体积流量与有效截面积之比值。体积流量与有效截面积之比值。体积流量与有效截面积之比值。体积流量与有效截面积之比值。 一般地不加下标一般地不加下标一
25、般地不加下标一般地不加下标a a，直接用，直接用，直接用，直接用 v v 表示表示表示表示。21 圆形截面管道的当量直径圆形截面管道的当量直径圆形截面管道的当量直径圆形截面管道的当量直径: : : :湿周湿周湿周湿周 水力半径水力半径水力半径水力半径 当量直径当量直径当量直径当量直径湿湿湿湿 周周周周 在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接触长度。在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接触长度。在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接触长度。在总流的有效截面上，流体与固体壁面的接触长度。水力半径水力半径水力半径水力半径 总流的有效截面积总流的有效截面积总流的有效截面积总流的有效截面积A A A A
26、和湿周之比。和湿周之比。和湿周之比。和湿周之比。非圆形截面管道的当量直径非圆形截面管道的当量直径非圆形截面管道的当量直径非圆形截面管道的当量直径: :当量直径当量直径当量直径当量直径 四倍水力半径。四倍水力半径。四倍水力半径。四倍水力半径。d de e 4R 4Rd de e d d22管束：管束：管束：管束：矩形管道：矩形管道：矩形管道：矩形管道：环形截面管道：环形截面管道：环形截面管道：环形截面管道：23流体力学的质量守恒原理流体流动连续性方程24连续性方程沿沿沿沿x x x x轴方向从左边微元面轴方向从左边微元面轴方向从左边微元面轴方向从左边微元面积积积积dydzdydzdydzdydz
27、流入的流体质量为：流入的流体质量为：流入的流体质量为：流入的流体质量为：25从右边微元面积从右边微元面积从右边微元面积从右边微元面积dydzdydzdydzdydz流出的流体质量为：流出的流体质量为：流出的流体质量为：流出的流体质量为：沿沿沿沿x x x x轴方向流体质量的变化，即轴方向流体质量的变化，即轴方向流体质量的变化，即轴方向流体质量的变化，即 26在在在在dtdtdtdt时间内经过微元六面体的流体质量总变化为：时间内经过微元六面体的流体质量总变化为：时间内经过微元六面体的流体质量总变化为：时间内经过微元六面体的流体质量总变化为：设开始瞬时流体的密度为设开始瞬时流体的密度为设开始瞬时流
28、体的密度为设开始瞬时流体的密度为，经过，经过，经过，经过dtdtdtdt时间后的密度为：时间后的密度为：时间后的密度为：时间后的密度为：在在在在dtdtdtdt时间内，六面体内因密度的变化而引起的质量变化为：时间内，六面体内因密度的变化而引起的质量变化为：时间内，六面体内因密度的变化而引起的质量变化为：时间内，六面体内因密度的变化而引起的质量变化为：27根据连续性条件，可得：根据连续性条件，可得：根据连续性条件，可得：根据连续性条件，可得：若流体是定常流动，则若流体是定常流动，则若流体是定常流动，则若流体是定常流动，则 ，上式成为，上式成为，上式成为，上式成为可压缩流体定常三维流动的连续性方程
29、可压缩流体定常三维流动的连续性方程可压缩流体定常三维流动的连续性方程可压缩流体定常三维流动的连续性方程可压缩流体非定常三维流动的连续性方程可压缩流体非定常三维流动的连续性方程可压缩流体非定常三维流动的连续性方程可压缩流体非定常三维流动的连续性方程不可压缩流体三维流动的连续性不可压缩流体三维流动的连续性不可压缩流体三维流动的连续性不可压缩流体三维流动的连续性 在同一时间内通过在同一时间内通过在同一时间内通过在同一时间内通过流场中任一封闭表面的流场中任一封闭表面的流场中任一封闭表面的流场中任一封闭表面的体积流量等于零，也就体积流量等于零，也就体积流量等于零，也就体积流量等于零，也就是说，在同一时间
30、内流是说，在同一时间内流是说，在同一时间内流是说，在同一时间内流入的体积流量与流出的入的体积流量与流出的入的体积流量与流出的入的体积流量与流出的体积流量相等。体积流量相等。体积流量相等。体积流量相等。28连续性方程在柱坐标系中的表示式为连续性方程在柱坐标系中的表示式为连续性方程在柱坐标系中的表示式为连续性方程在柱坐标系中的表示式为 ：对于不可压缩流体对于不可压缩流体 球坐标系中的表示式为球坐标系中的表示式为: :29总流的连续性方程总流的连续性方程总流的连续性方程总流的连续性方程根据质量守恒定律即可得出结论：根据质量守恒定律即可得出结论：根据质量守恒定律即可得出结论：根据质量守恒定律即可得出结
31、论：在单位时间内通过在单位时间内通过在单位时间内通过在单位时间内通过A A1 1 流入控制体的流入控制体的流入控制体的流入控制体的流体质量等于通过流体质量等于通过流体质量等于通过流体质量等于通过A A2 2 流出控制体的流出控制体的流出控制体的流出控制体的流体质量。流体质量。流体质量。流体质量。定常条件下：定常条件下：定常条件下：定常条件下：l l 总流管的形状、位置不随时间变化。总流管的形状、位置不随时间变化。总流管的形状、位置不随时间变化。总流管的形状、位置不随时间变化。l l 总流内的流体是不存在空隙的连续总流内的流体是不存在空隙的连续总流内的流体是不存在空隙的连续总流内的流体是不存在空
32、隙的连续介质，其密度分布恒定，所以这段总介质，其密度分布恒定，所以这段总介质，其密度分布恒定，所以这段总介质，其密度分布恒定，所以这段总流管内的流体质量也不随时间变化。流管内的流体质量也不随时间变化。流管内的流体质量也不随时间变化。流管内的流体质量也不随时间变化。l l 没有流体穿过总流管侧壁流入或流没有流体穿过总流管侧壁流入或流没有流体穿过总流管侧壁流入或流没有流体穿过总流管侧壁流入或流出，流体只能通过两个过流断面进出出，流体只能通过两个过流断面进出出，流体只能通过两个过流断面进出出，流体只能通过两个过流断面进出控制体。控制体。控制体。控制体。通过定常总流两个过流断面的质量流量相等通过定常总流两个过流断面的质量流量相等通过定常总流两个过流断面的质量流量相等通过定常总流两个过流断面的质量流量相等30通过恒定总流两个过流断面的体积流量相等通过恒定总流两个过流断面的体积流量相等通过恒定总流两个过流断面的体积流量相等通过恒定总流两个过流断面的体积流量相等流体不可压缩，流体不可压缩，31部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
