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流体力学

流线 速度场

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格子,在每个点画出水朝哪边、流多快的箭头,这就是速度场。不把一滴水追到头,而是在空间的每个地方装上相机,读过那里的水的速度,这个视角叫做欧拉视角。拖动探针,就看见每个位置箭头的方向和长度都不同。把这些箭头一直跟着连起来,就画出一条光滑的曲线,那就是流线。流线把那一瞬间水走的路原样显示出来,是用图来读流动的第一步。 箭头的长度是快慢,方向是路。

先感觉速度场本身。格子上的每一支箭头都是过那个位置的水的速度,方向是水去的一边,长度是快慢。把探针横向拖动,有的地方箭头向上倾,有的地方向下倾。不是在追一滴水的命运,而是在看充满空间的速度分布,想起用箭头画风的天气预报地图就行。那张地图就是速度场,流体力学从读这个场开始。 每个地方不同的箭头组成一张地图。

现在跟着那些箭头走。假如往水里丢一粒小种子,种子朝脚下箭头指的方向走一点,到了新地方再跟着那一处的箭头,这样没完没了地重复,那条痕迹就是流线。拖动种子的高度、改变起点,每个起点画出不同的流线。箭头若是点点的向导,流线就是把那些点连起来的光滑的路,把树叶浮在河上,叶子画出的线就是流线。 起点不同,路就不同,水跟着那条路走。

流动有定常流和非定常流两种。定常流是时间过去、每个点的速度也不变的流动。看河上的一个地点,水一直在流,可是那个地点的快慢和方向总是一样,流线的图也随着时间原样留着。非定常流是点的速度随时间变,起浪的海就是这样。用按钮切换两者,定常流里流线固定成一个样子,非定常流里稍后的流线和现在不同、错开。后面要处理的公式,大多假设好处理的定常流。 固定的图是定常流,摇动的图是非定常流。

流线有一个决定性的性质。流线上的任何一点,速度都恰好指向流线的切线方向。流线本来就是沿着箭头画的线,所以这是当然的。拖动点沿流线移动,就看见速度箭头总是贴着曲线相切。这里得出一个重要结论。任何水都不横穿流线。速度只沿流线走,所以没有越过流线的分量,流线就像看不见的墙。这个性质在数过截面的流量时,用得决定性。 贴着曲线的箭头把水关在路里面。

最后看河。河面宽的地方,流线松松地散开,河变窄的路口,流线彼此贴紧。拖动收窄的宽度把河挤紧,越窄流线越密。流线密,意思是那里的水流得快,因为同样多的水要全部通过窄路,只好更快。河的窄滩里水势变急就是这个,流线的间隔就是快慢的地图,这个直觉在连续方程里变成准确的公式。 密的线是快的水,疏的线是慢的水。

实际应用收起来说,流动是在空间每个点上贴了速度箭头的速度场,不追一个粒子、而读每个地方的速度,这个视角就是欧拉视角。流线是每一瞬间沿着速度箭头画的曲线,按定义速度总是和流线相切,所以任何流动都不能横穿流线,流线像看不见的墙。时间过去各点速度不变就是定常流,变了就是非定常流,定常流里流线和粒子的实际路径一致。流线密的地方就是快的地方,这个直觉也带着。截面变窄为什么变快,由质量守恒,也就是连续方程来解。 质量不消失,所以窄路就变快。
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