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】

(1)dvdt=vt+(v)v

这是显然的。

速度展开【1】

(2)v(r+dr,t)=v(r,t)+ω×dr+Sdr  S=Sije^ie^j,  Sij=12(vixj+vjxi)

证明:把 v 做展开,将矩阵 dv/dr 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。S 为形变矩阵。

受力方程【1】

(3)Ωρdvdtdτ=ΩρFdτ+Ωσdsi.e.   ρdvdt=ρF+σ

显然,受力分为体力和面力。σ 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 σS 的关系。只保留零阶项和一阶项,有:

(4)σij=aδij+VijklSkl

利用对称性,有 ij 交换对称和 kl 交换对称,故

(5)Vijkl=bδijδkl+c(δikδjl+δjkδil)

代入得:

(6)σij=δij(a+bSkk)+2cSij

利用牛顿粘性定理 σxy=μvy/x 易得 c=μ。两边缩并得:

(7)σii=3a+(3b+2μ)Sii

历史上,Stokes认为平均法应力( σii/3 )不仅依赖于 a 还依赖速度的散度是一件不合理的事情,他认为其(3b+2μ)应该为零。因此我们现在称 3b+2μ=0 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 a=pp 为动水压。则

(8)σij=pδij23μSkkδij+2μSiji.e.  σ=(p+23μv)I+2μS

将Stokes假设下的本构方程代入运动方程:

(9)ρ(vt+(v)v)=ρF+((p+23μv)I+2μS)  vt+(v)v=Fp+ν2v+13ν(v)  ν=μρ

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:

(10)0=Fp+ν2v0=v

利用Green函数法可得其解。方程

(11)Fδ(r)=p+ν2v0=v

的格林函数解为[3]:

(12)p(r)=Fr4πr3v(r)=GF8πνG=1r(I+rrr2)

G 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:

(13)vixi=0vit+vjvixj=pxi+ν2vixjxj

取平均速度场 vi=v¯i+vi(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:

(14)(v¯i+vi)xi=0(v¯i+vi)t+(v¯i+vi)(v¯j+vj)xj=(p¯+p)xi+ν2(v¯i+vi)xjxj

对上两式取平均得:

(15)v¯ixi=0v¯it+(v¯iv¯j+vivj)xj=p¯xi+ν2v¯ixjxj

后者可改写为:

(16)v¯it+v¯jv¯ixj=p¯xi+ν2v¯ixjxjvivjxj

vivjxj 即为Reynolds应力的通量,即 vivj 为Reynolds应力张量。