【CFD基础】1. 动量守恒方程推导

【CFD基础】1. 动量守恒方程推导CFD 基础 动量守恒方程推导及张量相关知识 史上最全最细讲解 cfd 中动量方程

1. 核心公式:牛顿第二定律:

eq?F%3Dma

2. 流体微受力:体积力+表面力

体积力:(不直接接触于微体表面的场力,如重力场,磁场)重力g

表面力:(直接作用于微体表面的力)压力和黏性应力(法向应力+切向应力)

3. 对微体受力分析:

61ced189ee5c4f1a879804869fce99d4.jpeg

以x方向受力为例展开:

体积力

eq?%5Crho%20dxdydzf_%7Bx%7D

表面力

        压力

               流体所受到的压力永远指向内部(与法向方向相反)

                左面:(方向向右) eq?pdydz

                右面:(方向向左)eq?-%28p+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddx%29dydz

                压力合力:eq?-%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddxdydz

      黏性应力(下面开始手动上色,库里颜色太少)

        法向应力

                方向始终与外法线方向一致

                左面(蓝色):(方向向左)eq?-%5Ctau%20_%7Bxx%7Ddydz

                右面(蓝色):(方向向右)eq?%28%5Ctau%20_%7Bxx%7D+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bxx%7D%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddx%29dydz

                法向合应力:eq?%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bxx%7D%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddxdydz

        切向应力

(1)基本假设:沿着x,y,z三轴正方形,速度逐渐增大(影响摩擦力也就是切向应力方向);

(2)那些面提供切向应力呢? (上下两面和前后两面)

上面(y,洋红):(方向向右,备注:微体上面同样存在微体,且速度大,则其受到向左的摩檫力,则本微体受到向右的摩檫力)eq?%28%5Ctau%20_%7Byx%7D+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Byx%7D%7D%7B%5Cpartial%20y%7Ddy%29dxdz

下面(y,洋红):(方向向左)eq?-%5Ctau%20_%7Byx%7Ddxdz

正对面(z,黑色):(方向向右)eq?%28%5Ctau%20_%7Bzx%7D+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bzx%7D%7D%7B%5Cpartial%20z%7Ddz%29dxdy

正背面(z,黑色):(方向向左)eq?-%5Ctau%20_%7Bzx%7Ddxdy

切向合应力:eq?%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Byx%7D%7D%7B%5Cpartial%20y%7Ddydxdz+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bzx%7D%7D%7B%5Cpartial%20z%7Ddzdxdy

综上:

eq?F_%7Bx%7D%3D%5Crho%20dxdydzf_%7Bx%7D-%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddxdydz+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bxx%7D%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddxdydz+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Byx%7D%7D%7B%5Cpartial%20y%7Ddydxdz+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bzx%7D%7D%7B%5Cpartial%20z%7Ddzdxdy

eq?ma_%7Bx%7D%3D%5Crho%20dxdydz%5Cfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20u%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20x%7D

因此,x方向有:

eq?%5Crho%20dxdydzf_%7Bx%7D-%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddxdydz+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bxx%7D%7D%7B%5Cpartial%20x%7Ddxdydz+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Byx%7D%7D%7B%5Cpartial%20y%7Ddydxdz+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bzx%7D%7D%7B%5Cpartial%20z%7Ddzdxdy%3D%5Crho%20dxdydz%5Cfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20u%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20x%7D

化简之后:

eq?%5Crho%20%5Cfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20u%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20x%7D%3D%5Crho%20f_%7Bx%7D-%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7D+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bxx%7D%7D%7B%5Cpartial%20x%7D+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Byx%7D%7D%7B%5Cpartial%20y%7D+%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bzx%7D%7D%7B%5Cpartial%20z%7D

又可以写作:

4. 本构方程

(流体微团平移/膨胀/旋转/剪切===剪切导出,这个不想推了,码字太累)

因此,针对于x方向,进行矢量方程写法如下:

(1)散度算子:将张量降一阶;梯度算子:将张量升一阶(后续补);

(2)p为标量,即0阶张量,eq?%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7D为一阶张量,因此采用梯度算子eq?%5Ctriangledown%20p代替 eq?%5Cfrac%7B%5Cpartial%20p%7D%7B%5Cpartial%20x%7D;

  (3)  eq?%5Cboldsymbol%7B%5Ctau%20%7D为二阶张量,eq?%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Ctau%20_%7Bzx%7D%7D%7B%5Cpartial%20z%7D为一阶张量,因此采用散度算子eq?%5Ctriangledown%20%5Ccdot%20%5Cboldsymbol%7B%5Ctau%20%7D

eq?%5Crho%20%5Cfrac%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20%5Cmathbf%7BU%7D%7D%7B%5Cmathrm%7Bd%7D%20x%7D%3D%5Crho%5Cboldsymbol%7B%20f%7D-%5Ctriangledown%20p+%5Ctriangledown%20%5Ccdot%20%5Cboldsymbol%7B%5Ctau%20%7D

5. 最近遇到一种写法是这样的

2cf91dee65284d57bf7b216c13160689.png

其实是一样,证明如下:


6. 补充知识(还是公式编辑器来巧吧,然后复制过来,这里面太费事了)

(1)散度算子

a66b622abf434cf7a5d440bd7240923a.png

散度算子作用后会降阶,速度矢量1阶张量降了一阶,为标量,即0阶张量

(2)梯度算子

1a2cbb346a5545a08d1413530d7bcd92.png

将标量p作用梯度算子为矢量,即升阶

(3)并矢

(两个矢量,放一起是并矢;易错点嘿嘿,敲黑板,细节方面去查并矢就行)

5f9f44af319b4cc08a27afb3a3830256.png

(4)矢量点乘

(两个矢量中间带个·就是点乘,两个矢量的点乘在随体导数和局部导数转化中极其有用,也就是上面第五条)

首先两个向量点乘就是对应方向上的三个分量乘积,异构分量为0,同构为1,可以联系6(1)

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编程小号
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