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運(yùn)動方程equation of motion

時間:2020-03-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 瀏覽:
在傳遞過程的研究中,指流動流體的微分動量衡算式,是描述粘性流體流動的基本方程之一。此方程與連續(xù)性方程和各種具體問題的定解條件相結(jié)合,可求解速度分布和壓力分布。
  運(yùn)動方程建立在牛頓第二定律基礎(chǔ)上,表示流體動量的變化率(即流體質(zhì)量與其加速度的乘積)等于作用于流體上外力的合力。所考慮的外力有兩類:作用在整個流體質(zhì)量上的力,即體積力(如重力);和作用在邊界上的力,即表面力(如壓力和剪切力)。運(yùn)動方程的向量式為:
       

          (1)

式中F為單位體積力,如單位體積重力,Fρg,ρ為流體密度,g為重力加速度;p為單位體積邊界上的力;u為速度;τ為時間;Du/Dτ為加速度。Du/Dτ稱為隨體導(dǎo)數(shù),并記作D/Dτ,以區(qū)別于常用的d/dτ
  法國科學(xué)家C.-L.-M.-H.納維在 1827年和G.G.斯托克斯在1845年分別將式(1)與廣義牛頓定律結(jié)合,得到描述牛頓粘性流體流動時的微分方程式,即納維-斯托克斯方程,它在直角坐標(biāo)系中可寫成:
    

   (2)

對于不可壓縮流體,u·墷=0,式(2)變?yōu)椋?
   

   (3)

式(3)是應(yīng)用最廣的運(yùn)動方程。與式(1)對比可知方程左側(cè)是流體的慣性力向量,其中加速度Du/Dτ分成了兩項:①дuτ為局部加速度,指流體速度u隨時間τ的變化率;②(u·墷)u為對流加速度,指流體因位置變化所引起的加速度。方程右側(cè)F(體積力)形式未變,p(表面力)則表示為壓力梯度(右側(cè)第一項)及粘性力向量(右側(cè)第三項)。
  在直角坐標(biāo)系中,式(3)的x方向分量式為:
   

   (4)

  理想流體運(yùn)動方程  忽略流體的粘性,即對于理想流體,納維-斯托克斯方程中右側(cè)第三、四兩項為零,這就是由瑞士數(shù)學(xué)家和力學(xué)家L.歐拉于1755年提出的歐拉方程:
      

歐拉方程于定態(tài)條件下沿流線(流動空間中某瞬時的這樣一種曲線,其上各質(zhì)點(diǎn)的流速方向與該點(diǎn)的切線重合)積分,即是伯努利方程。
  湍流運(yùn)動方程  對于湍流運(yùn)動,將不規(guī)則變化的瞬時速度u和瞬時壓力p分別分解為時均速度ū 和脈動速度u′,以及時均壓力p和脈動壓力p′,則有u=ū+u′,p=孒+p′,將此兩式代入式(4),可得到湍流運(yùn)動方程,寫成分量形式,以x方向?yàn)槔?
   

    (5)

對于yz方向亦有類似形式,這組方程稱為雷諾方程。
  將雷諾方程與納維-斯托克斯方程對比,可以看出前者多了幾個附加項,這是由于湍流脈動所引起各個方向的應(yīng)力,即

等,稱為湍流應(yīng)力或雷諾應(yīng)力。
  對于兩相流和非牛頓流體流動,運(yùn)動方程的建立和求解有很多困難,至今還很不成熟,但鑒于這些流動在工程上的重要性,是目前研究工作十分活躍的領(lǐng)域。
  應(yīng)用  納維-斯托克斯方程和連續(xù)性方程一起,構(gòu)成牛頓粘性流體運(yùn)動的基本方程組。由于方程是非線性的,至今尚無一般解,只能結(jié)合特定情況處理。對于一些簡單的問題,非線性項為零或是非常簡單的形式,可得精確解。對于較復(fù)雜的情況,有時根據(jù)流動問題的物理特點(diǎn),可以略去方程中的次要項,簡化成近似方程后求解。如在低雷諾數(shù)時,忽略慣性力,所得近似方程稱為爬流方程。由后者求解得到著名的斯托克斯定律(見流動阻力);在高雷諾數(shù)時,用邊界層概念簡化運(yùn)動方程,可了解繞流和射流的特征。此外,用數(shù)值法解這組方程,可以解決更復(fù)雜的問題,例如攪拌槽中粘稠液體的運(yùn)動、波動液膜的運(yùn)動以及伴有化學(xué)反應(yīng)的湍流運(yùn)動等。  
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