• 無粘性流

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    無粘性流

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    流體動力學中,無粘流是無粘性(零粘度)流體的流動,也稱為超流體。 當粘度接近零時,無粘流的雷諾數接近無窮大。 當忽略粘性力時,例如無粘性流動的情況,Navier-Stokes 方程可以簡化為稱為歐拉方程的形式。 這個簡化的方程適用于無粘性流動以及低粘度和雷諾數遠大于 1 的流動。 使用歐拉方程,許多涉及低粘度的流體動力學問題很容易解決,但是,假設的可忽略粘度在固體邊界(邊界層)附近的流體區域或更普遍的具有大速度梯度的區域不再有效 顯然伴隨著粘性力。

    無粘性流大致分為勢流(或無旋流)和旋轉無粘流。

    普朗特假說

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    Ludwig Prandtl 發展了邊界層的現代概念。 他的假設表明,對于低粘度流體,由于粘度引起的剪切力僅在流體邊界處與固體表面相鄰的薄區域中很明顯。 在這些區域之外,在有利的壓力梯度區域,不存在粘性剪切力,因此可以假設流體流場與非粘性流體的流動相同。 通過采用普朗特假設,可以通過假設無粘流和研究固體周圍的無旋流動模式來估計有利壓力梯度區域中真實流體的流動。

    真實流體會經歷邊界層分離和由此產生的湍流尾流,但這些現象無法使用無粘流進行建模。 邊界層的分離通常發生在壓力梯度從有利變為不利的地方,因此使用無粘流來估計不利壓力梯度區域中真實流體的流動是不準確的。

    雷諾數

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    雷諾數 (Re) 是流體動力學和工程學中常用的無量綱量。 最初由喬治·加布里埃爾·斯托克斯 (George Gabriel Stokes) 在 1850 年描述,后來由奧斯本·雷諾茲 (Osborne Reynolds) 推廣,1908 年,阿諾德·索末菲 (Arnold Sommerfeld) 以他的名字命名這個概念。雷諾數計算如下:

    R e = l c v ρ μ {displaystyle Re={l_{c}vrho over mu }}

    該值表示流體中慣性力與粘性力的比率,可用于確定粘度的相對重要性。 在無粘流中,由于粘性力為零,雷諾數接近無窮大。 當粘性力可以忽略不計時,雷諾數遠大于 1。 在這種情況下(Re>>1),假設無粘流可用于簡化許多流體動力學問題。

    歐拉方程

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    在 1757 年的出版物中,Leonhard Euler 描述了一組控制無粘流的方程:

    ρ D v D t = ? ? p + ρ g {displaystyle rho {Dmathbf {v} over Dt}=-nabla p+rho mathbf {g} }

    假設無粘流允許將歐拉方程應用于粘性力不重要的流動。 一些示例包括飛機機翼周圍的流動、河流中橋梁支架周圍的上游流動以及洋流

    納維-斯托克斯方程

    1845 年,喬治·加布里埃爾·斯托克斯 (George Gabriel Stokes) 發表了另一組重要的方程,今天稱為納維-斯托克斯方程。 Claude-Louis Navier 首先使用分子理論發展了這些方程,Stokes 使用連續介質理論進一步證實了這一點。 Navier-Stokes 方程描述了流體的運動:

    ρ D v D t = ? ? p + μ ? 2 v + ρ g {displaystyle rho {Dmathbf {v} over Dt}=-nabla p+mu nabla { 2}mathbf {v} +rho mathbf {g} }

    當流體是無粘性的,或者可以假定粘度可以忽略不計時,Navier-Stokes 方程可以簡化為歐拉方程: 這種簡化更容易求解,并且可以應用于粘度可以忽略的許多類型的流動。 一些示例包括飛機機翼周圍的流動、河流中橋梁支架周圍的上游流動以及洋流。

    無粘性流

    當 μ = 0 {displaystyle mu =0} 時,Navier-Stokes 方程簡化為歐拉方程。 導致粘性力消除的另一個條件是 ? 2 v = 0 {displaystyle nabla {2}mathbf {v} =0} ,這導致非粘性流動排列。 發現這種流動是渦流狀的。

    實體邊界

    重要的是要注意,在固體邊界附近不能再假定可忽略的粘度,例如飛機機翼的情況。 在湍流狀態(Re>>1)中,粘度通常可以忽略不計,然而這僅在遠離固體界面的距離處有效。 當考慮固體表面附近的流動時,例如通過管道或機翼周圍的流動,將表面附近的四個不同的流動區域分類是很方便的.

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    詞條目錄
    1. 無粘性流
    2. 普朗特假說
    3. 雷諾數
    4. 歐拉方程
    5. 納維-斯托克斯方程
    6. 實體邊界

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