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流体力学

流动是速度场,流线沿着它走

欧拉速度场 + 流线(与速度相切、不被横穿)+ 定常与非定常

在流动的水上铺一张网格,在每个点画一支箭头,表示那里的水朝哪个方向、流得多快。这就是速度场。不去把一滴水追到底,而是在空间的每个点钉一台相机,读出经过那里的水的速度。这个视角叫欧拉视角。拖动探针四处移动,你会看到箭头的方向和长度随地点而变。再把这些箭头一路跟着连起来,就画出一条光滑的曲线,那就是流线。流线展示了水在那一刻所走的路。这是把流动当成图来读的第一步。

先感受速度场本身。网格上每一支箭头,都是经过那个地方的水的速度:方向是水去的方向,长度是快慢。把探针横着拖动。有的地方箭头朝上斜,有的地方朝下斜。你不是在追一滴水的命运,而是一次看遍填满空间的速度分布。想想天气图上一支支小风箭头:那张图就是速度场,流体力学正是从读这张场图开始。

现在来跟着这些箭头走。想象往水里丢一颗小种子。种子朝脚下箭头所指的方向走一点,到了新位置又听那里箭头的,如此不停地重复。它的轨迹就是流线。拖动种子的高度来改变起点,每个起点画出不同的流线。如果说箭头是一个个点状的指引,流线就是把这些点连起来画成的光滑的路。在河里放一片叶子,叶子划出的那条线,正是流线。

流动有两种:定常流和非定常流。定常流是随时间推移、每个点的速度都不变的流动。盯着河里的一个点:水一直在流,但那个点的快慢和方向始终不变。所以流线图随时间过去也保持原样。非定常流是点的速度随时间改变,像翻涌的海。用按钮在两者间切换。定常流里流线固定成一个形状;非定常流里,过一会儿的流线和现在的不再吻合,两者错开。后面要讲的公式,大多假设较好处理的定常流。

流线有一个决定性的性质:在它上面的任何一点,速度都恰好指向流线的切线方向。当然如此,因为流线本来就是顺着箭头画出来的。拖动点沿流线移动,你会看到速度箭头始终贴着曲线、与它相切。这里有个关键结论:没有任何水会横穿流线。既然速度只沿着它走,就没有横穿它的分量。所以流线就像一堵看不见的墙。这个性质在下一讲数算穿过截面的流量时,会起决定性作用。

最后看一条河。河面宽的地方流线松松地铺开,而在河道收窄的隘口,流线彼此挤得很紧。拖动收窄处的宽度来收紧河道。越窄,流线越密。流线密,就意味着那里水流得快:同样多的水要挤过窄口,只能加速。河里狭窄的急滩水流变急,就是这个道理。流线的疏密就是速度的地图,这个直觉会在下一讲的连续方程里变成精确的公式。

实际应用总结一下:流动是给空间每个点都配上速度矢量的速度场。不去追一个粒子,而读每个位置的速度,这个视角就是欧拉视角。流线是顺着某一瞬间的速度矢量画出的曲线,按定义,速度总是与它相切。所以任何流动都无法横穿流线,流线就像一堵看不见的墙。随时间推移每点速度不变就是定常流,改变就是非定常流;在定常流里,流线和粒子的实际路径重合。我们还得到一个直觉:流线密的地方就是流得快的地方。下一讲把它定量化,用质量守恒,也就是连续方程,解出截面变窄为什么会加速。
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