流体力学
参考【1】Navier-Stokes方程的推导 - 知乎 ;【2】本构方程 - 知乎 ;【3】Four approaches to hydrodynamic Green's functions -- the Oseen tensors (arxiv.org);【4】Reynolds stress - Wikipedia
加速度分解【1】
这是显然的。
速度展开【1】
证明:把 做展开,将矩阵 分为两项(对称项和反对称项)即可得证。物理含义:平动+转动+形变速率。 为形变矩阵。
受力方程【1】
显然,受力分为体力和面力。 为面力的应力张量。
本构方程【1、2】
本构方程是应力与应变(率)关系的通称。这里就指的是 和 的关系。只保留零阶项和一阶项,有:
利用对称性,有 交换对称和 交换对称,故
代入得:
利用牛顿粘性定理 易得 。两边缩并得:
历史上,Stokes认为平均法应力( )不仅依赖于 还依赖速度的散度是一件不合理的事情,他认为其()应该为零。因此我们现在称 为Stokes假设。
对于可压缩流,经实验证实,除了高温和高频声波这些极端情况外,一般情况下的气体运动,可认为Stokes假设成立,即第二黏度为零。 【2】
记Stokes假设下的 , 为动水压。则
Navier-Stokes方程【1】
将Stokes假设下的本构方程代入运动方程:
其中 即得Navier-Stokes方程。
不可压缩Stokes方程及其解【3】
低雷诺数、不可压缩情况下,Navier-Stokes方程转化为Stokes方程:
利用Green函数法可得其解。方程
的格林函数解为[3]:
被称为Oseen张量。
Reynolds应力张量【4】
在无外力、不可压缩的情况下,连续性方程和Navier-Stokes方程写作:
取平均速度场 (平均可能是时间平均、空间平均或者系综平均),代入上述方程:
对上两式取平均得:
后者可改写为:
即为Reynolds应力的通量,即 为Reynolds应力张量。