Navier

您所在的位置:网站首页 力矩的积分形式 Navier

Navier

2024-06-16 00:11| 来源: 网络整理| 查看: 265

1. NS方程的意义及推导

NS方程描述了一个基本的物理学原理,这个原理有两个名字:牛顿第二定律和动量守恒。

1.1. 选取流动模型来推导方程

在《计算流体力学基础及其应用》一书中介绍了四种流动模型,而作者以运动的无穷小微团模型为例介绍方程推导过程。该流动模型的意义是假设存在一个小微团,该微团会随流体运动,属于拉格朗日观点。

1.2. x方向力的来源

对该小微团进行受力分析,以x方向为例。力的来源包括

体积力。这种力的特点是超距离的,比如重力,电场力; 表面力。直接作用在微团表面,只能由两种原因引起: 由包在微团周围的流体施加,即压力; 由外部流体推拉微团所造成的,以摩擦方式作用于表面的切应力和正应力。一些教材中将切应力与正应力之和称为剪应力。 切应力:与流体微团剪切变形的时间变化率有关 正应力:与流体微团体积的时间变化率有关 1.3. 压力和正应力的辨析

压力和正应力的关系很像是低雷诺数下单颗粒所受曳力的两种组成:形状阻力和运动阻力。

压力是由包裹着微团的流体所施加的,不管流体是否运动,周围流体都会施加对微团的压力,所以这属于形状阻力。

而正应力是由于x方向上紧挨着的两个微团存在x方向速度差而引起的拖拽力,是由相对运动引起的,所以属于运动阻力。

笔者以前混淆的一点是,当流体运动时,压力和正应力会共同存在吗?答案是肯定的。不过在一些体系中,正应力太小以至于可以忽略。例如在管流中,由伯努利原理,动压与静压之和处处不变,这里的静压指的是压力,而动压为速度,由于管道轴向的速度差较小,所以正应力较小,但不是没有。

在《传递过程原理》中提到了流体力学中的本构方程: σ = p I + τ \sigma = pI+\tau σ=pI+τ 其中 τ \tau τ为剪应力张量即上述正应力和切应力之和, p p p为压力矢量, I I I为单位张量。

1.4. 从动量守恒的观点出发

以上是从牛顿第二定律的观点来建立 F = m a F=ma F=ma的关系。此外还可以通过动量守恒的观点,这时可以选用空间位置固定的有限控制体作为流动模型。该观点为:动量积累量=动量输入量-动量输出量+作用于微元的总力*作用时间

1.5. 方程形式

∂ ρ U ∂ t + ∇ ⋅ ( ρ U U ) = − ∇ p − ∇ ⋅ τ + ρ g \frac{\partial \rho U}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho UU) = -\nabla p - \nabla \cdot \tau + \rho g ∂t∂ρU​+∇⋅(ρUU)=−∇p−∇⋅τ+ρg

方程的组成部分分别为

非稳态项 对流项 压力梯度项 粘性力梯度项 重力项 1.6. 不可压缩流体的NS方程:密度为constant

连续性方程 ∇ ⋅ U = [ ∂ ∂ x , ∂ ∂ y , ∂ ∂ z ] ⋅ [ u , v , w ] T = ∂ u ∂ x + ∂ v ∂ y + ∂ w ∂ z = 0 \nabla \cdot U = [\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y},\frac{\partial}{\partial z}] \cdot [u,v,w]^T= \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0 ∇⋅U=[∂x∂​,∂y∂​,∂z∂​]⋅[u,v,w]T



【本文地址】


今日新闻


推荐新闻


CopyRight 2018-2019 办公设备维修网 版权所有 豫ICP备15022753号-3