測速發電機

[拼音]:yundong fangcheng

[英文]:equation of motion

在傳遞過程的研究中,指流動流體的微分動量衡算式,是描述粘性流體流動的基本方程之一。此方程與連續性方程和各種具體問題的定解條件相結合,可求解速度分佈和壓力分佈。

運動方程建立在牛頓第二定律基礎上,表示流體動量的變化率(即流體質量與其加速度的乘積)等於作用於流體上外力的合力。所考慮的外力有兩類:作用在整個流體質量上的力,即體積力(如重力);和作用在邊界上的力,即表面力(如壓力和剪下力)。運動方程的向量式為:

(1)

式中

F

為單位體積力,如單位體積重力,

F

=ρg,ρ為流體密度,g為重力加速度;

p

為單位體積邊界上的力;

u

為速度;τ為時間;D

u

/Dτ為加速度。D

u

/Dτ稱為隨體導數,並記作D/Dτ,以區別於常用的d/dτ。

法國科學家C.-L.-M.-H.納維在 1827年和G.G.斯托克斯在1845年分別將式(1)與廣義牛頓定律結合,得到描述牛頓粘性流體流動時的微分方程式,即納維-斯托克斯方程,它在直角座標系中可寫成:

(2)

對於不可壓縮流體,

u

·墷=0,式(2)變為:

(3)

式(3)是應用最廣的運動方程。與式(1)對比可知方程左側是流體的慣性力向量,其中加速度D

u

/Dτ分成了兩項:

(1)д

u

/дτ為區域性加速度,指流體速度

u

隨時間τ的變化率;

(2)(

u

·墷)

u

為對流加速度,指流體因位置變化所引起的加速度。方程右側

F

(體積力)形式未變,

p

(表面力)則表示為壓力梯度(右側第一項)及粘性力向量(右側第三項)。

在直角座標系中,式(3)的x方向分量式為:

(4)

理想流體運動方程

忽略流體的粘性,即對於理想流體,納維-斯托克斯方程中右側第三、四兩項為零,這就是由瑞士數學家和力學家L.尤拉於1755年提出的尤拉方程:

尤拉方程於定態條件下沿流線(流動空間中某瞬時的這樣一種曲線,其上各質點的流速方向與該點的切線重合)積分,即是伯努利方程。

湍流運動方程

對於湍流運動,將不規則變化的瞬時速度

u

和瞬時壓力p分別分解為時均速度ū 和脈動速度

u

′,以及時均壓力p和脈動壓力p′,則有

u

=ū+

u

′,p=孒+p′,將此兩式代入式(4),可得到湍流運動方程,寫成分量形式,以x方向為例:

(5)

對於y、z方向亦有類似形式,這組方程稱為雷諾方程。

將雷諾方程與納維-斯托克斯方程對比,可以看出前者多了幾個附加項,這是由於湍流脈動所引起各個方向的應力,即

等,稱為湍流應力或雷諾應力。

對於兩相流和非牛頓流體流動,運動方程的建立和求解有很多困難,至今還很不成熟,但鑑於這些流動在工程上的重要性,是目前研究工作十分活躍的領域。

應用

納維-斯托克斯方程和連續性方程一起,構成牛頓粘性流體運動的基本方程組。由於方程是非線性的,至今尚無一般解,只能結合特定情況處理。對於一些簡單的問題,非線性項為零或是非常簡單的形式,可得精確解。對於較複雜的情況,有時根據流動問題的物理特點,可以略去方程中的次要項,簡化成近似方程後求解。如在低雷諾數時,忽略慣性力,所得近似方程稱為爬流方程。由後者求解得到著名的斯托克斯定律(見流動阻力);在高雷諾數時,用邊界層概念簡化運動方程,可瞭解繞流和射流的特徵。此外,用數值法解這組方程,可以解決更復雜的問題,例如攪拌槽中粘稠液體的運動、波動液膜的運動以及伴有化學反應的湍流運動等。