在第2章中,导出以流体平衡微分方程式(2.3)或式(2.4),是针对一个系统的。在流体运动学中,需要研究系统的力学规律,但由于流体流动的复杂性,对于研究对象的取法有很大的影响。实际上在前面的分析问题中提到了取隔离体的概念,它本质上指的就是控制体。
所谓系统,指的是一团流体质点的集合。它包含有确定的质量,系统的外界形成一个封闭的表面,称为边界。一个系统可以随着运动的变化而改变它的形状和空间位置,但它包含的物质质量不随运动改变。
所谓控制体,指的是流场中某一个确定的空间区域,它的边界称为控制面。控制体的质量可以随时间变化,但它的形状及空间位置不变。如图3.13所示,系统状态Ⅰ,其边界用虚线所示,体积为V0,而此时的控制体和系统重合,控制面用实线表示,体积为V,且有V=V0。在t+dt瞬时,系统的位置和形状改变,体积也变成V′,但系统的质量不变;而此时的控制体,其位置和形状未变,体积未变,仍为V0,但质量已有改变,如图3.14所示。
图3.13 t瞬时的系统与控制体(www.daowen.com)
图3.14 t+dt瞬时的系统与控制体
流体力学所研究的是系统的物理量,但这些量的变化又与所选定的控制体有关。控制体积的大小和形状完全是任意的,有些部分常取其与固体边界相重合,有些边界为了分析简便取与流速方向垂直。而系统可以按照自身运动规律穿越控制体表面流入流出该控制体。
由于流体有极大的流动性,使得识别一个特定的系统成为一个十分复杂而艰难的问题。而利用控制体的方法,既可以克服对系统辨别上的困难,又能使对流体分析大为简化。因此,在本章的若干节里,将分别把基本物理定律从系统方法转换为控制体方法,导出这些定律在流体力学中的表达式。
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