徐珂靖的博客
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日志
1.3 流体力学基本方程
我们把充满着流体物理量的由运动流体所占据的空间称为流场。流体的物理量是关于空间坐标和时间坐标的函数,包括了压强、温度和密度等标量与速度、应力和应变等张量。
研究流体力学问题,可以从两种方法来入手,第一种叫拉格朗日法,基于流体中的某个质点,分析其状态变化;另一种叫欧拉法,基于流场中某个空间点,分析其流动参数的变化。
牛顿为我们揭示了经典力学的三大定律,即质量守恒、动量守恒和能量守恒。在研究流体运动时,因为速度比较低(数量级在光速的负五次方以下),可以忽略波粒二象性和洛伦兹变换。既一个流场可以划分为很多个微小空间体,虽然在每个小空间体上流体的运动参数和状态参数不一定相同,但它们必须满足质量守恒、动量守恒、能量守恒。
分析一个空间微元上的质量流量,根据质量守恒原则,微元中的流体总质量的变化率和流体的流进流出流量差是相等的。用积分公式可以这样表示:
单位时间流入微团的质量流量等于微团单位时间的密度变化量。对它进行求导,可得关于流量的连续性偏微分方程:
同理,根据动量守恒原理,分析微元上的动量流量:
动量变化率为单位时间流入动量、单位时间惯性力冲量与单位时间面力冲量之和。
上式也可表示为:
对其进行求导,可得关于动量的动量方程:
又因为P=-pI+τ,其中p为压强,τ为粘性力,代入上式可得:
此式就是著名的欧拉(Euler)动量方程,根据此方程可以解决很多流动问题。飞机为什么能飞上天?大家都听说过伯努利原理。欧拉方程和伯努利原理有什么联系呢?请听下回分解。
(作者:徐珂靖 2009年11月 于哈尔滨)