簡介
編輯在連續介質力學中,渦度是一個偽矢量場,它描述了某個點附近連續介質的局部旋轉運動(某物旋轉的趨勢),正如位于該點并隨流行進的觀察者所看到的那樣。 它是流體動力學理論中的一個重要量,為理解各種復雜的流動現象(例如渦環的形成和運動)提供了一個方便的框架。
在數學上,渦量 ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} 是流速 u → {\displaystyle {\vec {u}}} 的旋度:
ω → ≡ ? × u → , {\displaystyle {\vec {\omega }}\equiv \nabla \times {\vec {u}}\,,}
其中 ? {\displaystyle \nabla } 是 nabla 運算符。 從概念上講,ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} 可以通過在問題點的一個小鄰域中標記連續體的部分,并觀察它們沿流移動時的相對位移來確定。 渦量 ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} 將是這些粒子相對于其質心的平均角速度矢量的兩倍,根據右手法則定向。
在二維流動中,ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} 總是垂直于流動平面,因此可以被認為是標量場。
例子
編輯在像剛體一樣旋轉的連續體質量中,渦度是旋轉角速度矢量的兩倍。 例如,朗肯渦旋的中心就是這種情況。
如果存在剪切(即,如果流速跨流線變化),即使所有粒子都沿著直線和平行路徑流動,渦度也可能不為零。 例如,在具有恒定橫截面的管道內的層流中,所有粒子都平行于管道的軸線移動; 但在該軸附近速度更快,并且幾乎在墻壁旁邊靜止不動。 渦量在軸上為零,在切變xxx的壁附近xxx。
相反,流動可能具有零渦度,即使它的粒子沿著彎曲的軌跡行進。 一個例子是理想的無旋渦流,其中大多數粒子圍繞某個直軸旋轉,速度與它們到該軸的距離成反比。 一小塊不跨軸的連續體將在一個方向上旋轉,但在相反的方向上被剪切,這樣它們圍繞質心的平均角速度為零。
另一種可視化渦流的方法是想象,瞬間,連續體的一小部分變成固體,其余的流動消失。 如果那個微小的新固體粒子在旋轉,而不是隨流移動,那么流中就有渦流。
數學定義
編輯在數學上,三維流的渦度是一個偽矢量場,通常表示為 ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} ,定義為速度場的旋度 v → {\displaystyle {\vec {v}}} 描述連續運動。
換句話說,渦度表示當一個人在垂直于它的方向上移動無窮小的距離時,速度矢量如何變化。
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