理论教育 使用欧拉法计算流体质点加速度

使用欧拉法计算流体质点加速度

时间:2023-06-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:作为例子,假设质点的位置向量为r,按照速度物理意义,表示的应该是速度u,而实际上,若取r的分量x,y,z作为式的θ,则同理又若取速度u作为θ,则可得到加速度的表达式为写成分量形式,即由式或式可知,用欧拉法求得的流体质点的加速度由两部分组成:第一部分为称为当地加速度或时变加速度,它表示在某一固定空间点上因时间的变化而引起的速度变化率。

使用欧拉法计算流体质点加速度

欧拉法只着眼于流场各固定点,研究各瞬时这些点的流动情况,而无论这些运动情况是由那些质点表现出来的,也无论这些质点的来龙去脉,而将流体的速度u、压强p、密度ρ等运动参数作为空间点坐标(x,y,z)和时间t的函数而论述的一种方法。以u为例:

在式(3.8)中,如令(x,y,z)为常数,t为变数,可以得不同瞬时通过空间相应固定点的流体流速的变化情况;如令t为常数,(x,y,z)为变数,则可得同一瞬时在流场内通过不同空间点的流体流速的分布情况,即此时瞬时的速度场。如令(x,y,z)及t均为变数,则研究的对象将是任意时刻t通过空间任意点(x,y,z)的流体质点的运动情况。

在欧拉法中,当时刻t时,假设流体质点由空间位置和时间所确定的物理量为θ(x,y,z,t),则该质点的物理量θ对时间的变化率为,根据多元偏导数的概念可得

称dθ/dt为流体力学的质点导数,式(3.10)也可写为

式中,称为哈密顿算子(Hamiltonianoperator,“”读作“del”或“nabla”)。作为例子,假设质点的位置向量为r(x,y,z,t),按照速度物理意义,表示的应该是速度u,而实际上,若取r的分量x,y,z作为式(3.10)的θ(注意:在欧拉法中,(x,y,z)和t是独立变数),则

同理

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又若取速度u作为θ,则可得到加速度的表达式为

写成分量形式,即

由式(3.12)或式(3.13)可知,用欧拉法求得的流体质点的加速度由两部分组成:第一部分为称为当地加速度或时变加速度,它表示在某一固定空间点上因时间的变化而引起的速度变化率。第二部分为(u·)u(或式(3.13)中的后三项之和),称为迁移加速度或位变加速度,它表示流体质点在dt时间内从该固定点作微小位移(位变)过程中,由于流场随空间位置变化的非均匀性,引起质点速度的变化率。对于均匀流场,这部分的加速度应等于零。当地加速度及迁移加速度的物理意义可以图3.6所示的简例说明。装在水箱的水经过水箱底的一段等径管路AB及变径喷嘴BC向外流出。设管轴上有1、2、3三个点,在点1和点2位于等径段上,点3位于变径管上。若箱中水位保持恒定,则质点由点1流向点2时既没有当地加速度也没有迁移加速度;质点从点2流向点3时,虽没有当地加速度,但却有迁移加速度。如果箱中水位不断下降,质点从点1流向点2时,虽然没有迁移加速度,但却有当地加速度;而质点从点2流向点3时,既有当地加速度,又有迁移加速度。

例3.1 在图3.6中,若点2的速度u2=4m/s,点3的速度u3=8m/s,点2至点3的距离l=0.4m,试求点3的迁移加速度。

图3.6 当地加速度和迁移加速度

解 因为沿管轴线上流动为一元流,则由点2到点3的速度梯度

故点3的迁移加速度为

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