# 流体力学基础

# 连续方程

{积分形式:tpdV+cs(ρg)ds=0微分形式:Pt+(ρU)=0\begin{cases} \text {积分形式}:\frac{\partial}{\partial t}\int\int\int pdV+\iint_{cs}(\rho\overrightarrow{g})\cdot d\overrightarrow{s}=0\\\\\text {微分形式}:\frac{\partial P}{\partial t}+\overrightarrow{\nabla}\cdot(\rho\overrightarrow{U})=0\end{cases}

# 导数

  1. r = Position 位置
  2. Pt\frac{\partial P}{\partial t} 位置对时间求导,位置的变化率就是 一阶导,速度
  3. P2t2\frac{\partial P^2}{\partial t^2} 二阶导,速度的变化率就是加速度

# 质量守恒方程

质量守恒方程在流体力学中是非常重要的。其基本形式为:在一个封闭的系统中,流体的质量不会发生改变。数学上的表述是:流体在任意时刻,通过任意封闭曲面的流量与曲面内部的质量变化率之和等于零。这就是著名的质量守恒定律,也被称为连续性方程。

其定义为

CVPtdV+ρvS=0\iiint_{CV}\frac{\partial P}{\partial t}dV+\int\int\rho\overrightarrow{v}\cdot \partial \overrightarrow{S}=0

左边是体积积分ρ\rho 是密度,密度乘体积就是质量,意思是ρ\rhott 求导就是某一时刻质量就是体积增量,右边是范围横切面流出质量,s 就是法线,一般朝外,v 就是速度,对 s 求积分就是面积

第一项叫控制体内流体总质量的增长率,第二项叫通量,表示单位时间流出控制体的流体质量

他的微分形式是这样的

Pt+(ρu)x+(ρv)y+(ρw)z=0\frac{\partial P}{\partial t}+\frac{\partial\left(\rho u\right)}{\partial x}+\frac{\partial\left(\rho v\right)}{\partial y}+\frac{\partial\left(\rho w\right)}{\partial z}=0

uvw 是速度矢量的三个分量

所以可以写成

v=ui+vj+wk\overrightarrow{v}=u\overrightarrow{i}+v\overrightarrow{j}+w\overrightarrow{k}

乘上ρ\rho 就是

ρv=(ρu)i+(ρv)j+(ρw)k\rho\overrightarrow{v}=(\rho u)\overrightarrow{i}+(\rho v)\overrightarrow{j}+(\rho w)\overrightarrow{k}

然后我们创造一个矢量 a,然后 dot Pv 矢量,就是后面一部分,这时候就是微分方程的后三项,这时候可以写成∇,就是哈密顿算子,

a=xi+yj+zka(pv)=(pu)x+(pv)y+(pw)z=xi+yj+zk\begin{gathered}\overrightarrow{a}=\frac{\partial}{\partial x}i+\frac{\partial}{\partial y}\overrightarrow{j}+\frac{\partial}{\partial z}\overrightarrow{k} \\\overrightarrow{a}\cdot(p\overrightarrow{v})=\frac{\partial(pu)}{\partial x}+\frac{\partial(pv)}{\partial y}+\frac{\partial(pw)}{\partial z} \\\nabla=\frac{\partial}{\partial x}i+\frac{\partial}{\partial y}\overrightarrow{j}+\frac{\partial}{\partial z}\overrightarrow{k} \end{gathered}

这时候就是微分形式的质量守恒方程

Pt+(ρU)=0\frac{\partial P}{\partial t}+\overrightarrow{\nabla}\cdot(\rho\overrightarrow{U})=0

# 散度

这时候两个某矢量点乘是个标量,这个叫散度,散度的物理意义就是单位体积的某通量,这里乘于ρ\rho 就是单位体积的质量通量

速度散度有两个理解

  1. 单位体积的体积变化率
  2. 单位时间的体积变化比例

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# 梯度

梯度就是乘一个标量

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微分形式的第二项含义就是散度

# 特殊情况下

CVρtdV+CSρvS=0\iiint_{CV}\frac{\partial \rho}{\partial t}dV+\iint_{CS} \rho\overrightarrow{v}\cdot \partial \overrightarrow{S}=0

1、定常情况下,意思是流体质量不随时间的变化,所以对 t 求导等于 0,所以第一项就没了,剩下一项的意思就是,积分形式就是通量等于 0,微分形式就是无散度

  • 积分形式:CS(ρv)ds=0\iint_{CS}(\rho\overrightarrow{v})\cdot d\overrightarrow{s}=0
  • 微分形式:(pU)=0\overrightarrow{\nabla}\cdot(p\overrightarrow{U})=0

2、在不可压缩流体情况下,ρ\rho 是常数,控制体的体积也是常数,对于 t 求导就是 0,所以积分形式第一项是 0,所以第二项就是写成了下面红色框那样

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微分形式就是,对 t 求导就是 0,后面同时处于 p 就是下面红色那样

Pt+(pv)=0ρU=0V=0\begin{aligned}\frac{\partial P}{\partial t}+\overrightarrow{\nabla}\cdot(p\overrightarrow{v})=0\\{\rho\overrightarrow{\nabla}\cdot\overrightarrow{U}=0}\\{\nabla\cdot\overrightarrow{V}=0}\end{aligned}

所以不可压缩流体的速度条件是散度等于 0 。这里可以看成速度前面乘于一个 1,而这个 1 表示体积,所以这里可以表示,散度就是单体体积的体积通量,因为这里散度等于 0,所以体积散度的体积变化率等于 0,那么流体就是不可压缩

# 微元体积元分析推到微分形式质量守恒

对于一个大控制体来说,可以分成一个个小微小控制体,这时候,对于一个小控制体来说,要研究一个速度的流向,就是左边面积流向右边,前面流向后面,上面流向下面,那么对于左边而言,那么他的就是通量,对于右边而言,通过一阶泰勒展开,他就是ρu\rho u 对 x 求偏导,就是 x 方向的变化率,乘一个 dx 就是变化量,当他们左面和右面相加(蓝框相加)就是最下面的黄色框

左边

ρuS右边=ρudydz\rho u S_{右边}= \rho udydz

右边

[ρu+δ(ρu)]=[ρu+(ρu)xdx]St=[ρu+(ρu)xdx]dydz=pudydz(fu)xdxdydz=ρudydz(ρu)xdV\begin{gathered}-\left[\rho u+\delta\left(\rho u\right)\right]=\left[\rho u+\frac{\partial\left(\rho u\right)}{\partial x}\cdot dx\right]S_{t} \\=\left[\rho u+\frac{\partial\left(\rho u\right)}{\partial x}dx\right]dydz \\=-pudydz-\frac{\partial(fu)}{\partial x}dxdydz \\=-\rho udydz-\frac{\partial(\rho u)}{\partial x}dV \end{gathered}

左边和右边相加就是,最后就是

ρudydzρudydz(ρu)xdV(ρu)xdV\rho udydz - \rho udydz-\frac{\partial(\rho u)}{\partial x}dV\\-\frac{\partial(\rho u)}{\partial x}dV

那么其他方向都是一样,因为质量守恒规定

控制体内流量总质量增长率 = 单位时间流入控制体内的流体质量

所以左边是原来的ρ\rho时间偏导乘体积,去等式两边同时处于体积就是微分公式的质量守恒

ρtdV=[(ρu)x+(ρu)y+(ρw)z]dVPtdV+[(pu)x+(pu)y+(pw)z]dV=0Pt+(pu)x+(pu)y+(pw)z=0\frac{\partial\rho}{\partial t}dV=-\left[\frac{\partial\left(\rho u\right)}{\partial x}+\frac{\partial\left(\rho u\right)}{\partial y}+\frac{\partial\left(\rho w\right)}{\partial z}\right]dV\\\frac{\partial P}{\partial t}dV+\left[\frac{\partial(pu)}{\partial x}+\frac{\partial(pu)}{\partial y}+\frac{\partial(pw)}{\partial z}\right]dV=0\\\frac{\partial P}{\partial t}+\frac{\partial(pu)}{\partial x}+\frac{\partial(pu)}{\partial y}+\frac{\partial(pw)}{\partial z}=0

奥高公式

N-S 动量守恒方程

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