十九、流體力學(xué)理論-高斯公式
這次我們談?wù)劻黧w力學(xué)理論知識-高斯公式,對雷諾輸運(yùn)定理及流體力學(xué)三大守恒方程比較熟悉的同學(xué),會(huì)發(fā)現(xiàn)這些方程在推導(dǎo)的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高斯公式,當(dāng)然還會(huì)出現(xiàn)咱們文章十二中講到的散度和梯度,這些都是流體力學(xué)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。
1.高斯公式的各種形式
先直接給出高斯公式:設(shè)空間有界閉合區(qū)域Ω?,其邊界?Ω?為分片光滑閉曲面。函數(shù)P,Q,R及其一階偏導(dǎo)數(shù)在Ω上連續(xù),那么:
仔細(xì)觀察上式,會(huì)發(fā)現(xiàn)等式左端可以應(yīng)用文章十二講到的散度公式,對于等式右端cos*d即為微元面積S在yz平面上的投影,同理cos*d即為微元面積S在zx平面上的投影,cos*d即為微元面積S在xy平面上的投影,將上式可以進(jìn)行變形得到:
如果我們將上式中的物理量用速度替換會(huì)更加容易理解,
其中V表示速度矢量,u、v、w表示三個(gè)方向上的速度分量。
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注:高斯公式只對矢量物理量適用,因?yàn)橹挥惺噶坎庞猩⒍戎f(文章十二內(nèi)容)
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2.散度的物理意義
從公式3能看到什么呢?首先我們回顧一下散度的物理意義,散度用于表征空間各點(diǎn)矢量場發(fā)散的強(qiáng)弱程度,散度的意義是場的有源性。我們用下圖表示,六面體內(nèi)有一點(diǎn)A可以往外流出流體。
我們以dV為微元研究對象,等式左端
是一個(gè)體積分,表示的實(shí)際上是微元體內(nèi)總體積流量的變化量。
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由于流體可變形,因此上式可理解為單位時(shí)間內(nèi)變形后的體積-變形前的體積=體積變化量,傳熱學(xué)書本上對此有詳細(xì)推導(dǎo),我們簡單推導(dǎo)一下,,,分別表示速度在,,方向的分量,,,分別表示速度在x+dx,y+dy,z+dz方向的分量,則:
微元體在x處的流體體積流量:
x方向體積流量為:
y方向體積流量為:
z方向體積流量為:
總體積流量為:
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微元體在x+dx處的流體體積流量:
x方向體積流量為:
y方向體積流量為:
z方向體積流量為:
總體積流量為:
總體積流量相減得到微元體內(nèi)體積凈增量如下,就等于等式左端
因此如何理解散度呢?可以認(rèn)為散度是流場中的一個(gè)噴泉,當(dāng)散度為正時(shí),噴泉向外噴水,當(dāng)散度為負(fù)時(shí),噴泉向里吸水,散度為0,表示噴泉不噴不吸。而等式左端積分就表示在整個(gè)流場中單位時(shí)間內(nèi)噴泉噴出或吸收了多少水量。所以說,散度的意義是場的有源性。
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3.高斯公式的理解
我們已經(jīng)知道了高斯公式等式左端就是體積流量的變化,等式右端是什么呢?
等式右端更加容易理解,我們能看出來等式右端實(shí)際上一個(gè)面積分,udydz用x方向的速度乘以x方向的截面,顯然表示的是x方向的體積流量,同理vdzdx表示y方向的體積流量,wdxdy表示z方向的體積流量。將三者相加,表示的是整個(gè)從封閉曲面流進(jìn)或流出的流體體積流量。這也是為什么定義里強(qiáng)調(diào)了閉合區(qū)域的原因。
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等式左端表示的是整個(gè)流場體積的變化,等式右端表示的是從流場邊界流進(jìn)或流出的流體體積(為便于理解,省略流量二字),兩邊是否相等呢?
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顯然相等,從流場邊界流進(jìn)或流出的體積量必然會(huì)在流場中體現(xiàn)出來,即等于流場中多出來或減少掉的體積量。
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因此高斯公式實(shí)際上就是將體積分與面積分聯(lián)系了起來,
它告訴我們流場中失量物理量的改變必然會(huì)通過流場邊界表現(xiàn)出來,
內(nèi)部的改變必然會(huì)在外部有所體現(xiàn),
人內(nèi)里的氣質(zhì)必然會(huì)表現(xiàn)在言行上(升華了)
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