流體力學(xué)與NS方程
流體力學(xué)是否可以使用NS方程表示,需要看流體分子或者原子的平均自由程和流體微元的比例大小。
一般在宏觀低速情況下,使用本構(gòu)方程和牛頓第二定律得到流體的控制方程和固體的控制方程。
F為流體微元所受重力或者其他比如電磁力等,以及正應(yīng)力和切應(yīng)力。單位質(zhì)量。a為隨體加速度。進(jìn)行偏導(dǎo)得到當(dāng)?shù)丶铀俣群蛯α黜?。加速度項又稱為慣性力項。當(dāng)略去所有慣性力,求解得到的是,斯托克斯解。
當(dāng)僅略去對流項,得到的是,奧森解。微流控領(lǐng)域,一般略去全部慣性力項。其中有一點十分奇怪的是,微流控的速度十分低,但是加速度不一定低,在低速流動情況下,略去慣性力項,意味著,默認(rèn)在低速流動的情況下,略去了慣性力項。在微流控中,慣性力十分小,相比之下,粘性力和界面結(jié)構(gòu)的表面張力交大,因此,除了使用慣性力和粘性力的壁紙雷諾數(shù)之外,還經(jīng)常使用韋伯?dāng)?shù),以及毛細(xì)數(shù)等參數(shù)來表示微流控中的主成分力。
對于傳熱作用不會產(chǎn)生力時,則對于三維問題,僅需要考慮質(zhì)量方程和三個方向的動量方程。
對于不可壓縮流體,則假設(shè)為流體密度不隨時間以及空間變化,則流體密度為常數(shù),此時的質(zhì)量方程為速度矢量的散度為0。此時,質(zhì)量方程中只有ux,uy,uz,三個未知量。動量方程中,有ux,uy,uz,以及p壓強為未知量。需要注意的是,每個方向的動量方程,一般情況下,均包含其他方向的未知速度,比如x方向的動量方程包含uy,以及uz,因此,對于每個方向的動量方程,無法直接求解壓強和此方向的速度,需要和其他方向的速度耦合求解。4個方程,4個未知量,不可壓縮流體,不考慮傳熱的情況下,可以閉合。
對于可壓縮流體,若不考慮傳熱問題,假設(shè)為流體密度隨時間以及空間變化,也就是密度為x,y,z,t的函數(shù),此時質(zhì)量方程中需要加上密度對時間的偏導(dǎo)或者全導(dǎo),這取決于形式,二者等價。則可壓縮流體的質(zhì)量方程中有4個變量。在動量方程中一般有5個變量,因此一共是4個方程,5個變量。則需要使用穩(wěn)態(tài)方程,也就是密度和壓強之間的關(guān)系方程組閉合。
對于可壓縮流體,若考慮傳熱問題,則一共是6個變量,6個方程。方程組閉合。