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斯托克斯流

指数 斯托克斯流

斯托克斯流(Stokes flow),又称为蠕动流(creeping flow),在流体力学中指黏性力远大于惯性力的流动,其名称源于爱尔兰物理学家乔治·斯托克斯。斯托克斯流的雷诺数十分小(\textit \ll 1),这意味着流速很低、黏性系数很大或流动的长度尺度很小。 斯托克斯流的控制方程为线性化的定常纳维-斯托克斯方程,称为斯托克斯方程,其表达式为:Kim, S.

目录

  1. 9 关系: 定常流动乔治·斯托克斯纳维-斯托克斯方程爱尔兰质量守恒定律黏度雷诺数柯西应力张量流体力学

  2. 流体力学中的方程

定常流动

定常流动是流体力学中流体流动的一种形式。 若流体运动中,满足如下条件 则称此种流动为定常流动或稳定流动,N可以是速度、压力、密度等参数。.

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乔治·斯托克斯

乔治·加布里埃尔·斯托克斯爵士,第一代從男爵,FRS(Sir George Gabriel Stokes, 1st Baronet,),愛爾蘭數學家和物理學家,就讀和任教於劍橋大學,主要貢獻在流體動力學(如纳维-斯托克斯方程)、光學和數學物理學(如斯托克斯公式)。他曾任皇家學會秘書和會長。.

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纳维-斯托克斯方程

纳维尔-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations),以克劳德-路易·纳维(Claude-Louis Navier)和乔治·斯托克斯命名,是一组描述像液体和空气这样的流体物质的方程。这些方程建立了流体的粒子动量的改变率(力)和作用在液体内部的压力的变化和耗散粘滞力(类似于摩擦力)以及重力之间的关系。这些粘滞力产生于分子的相互作用,能告诉我们液体有多粘。这样,纳维-斯托克斯方程描述作用于液体任意给定区域的力的动态平衡。 因为纳维尔-斯托克斯方程可用于描述大量对学术研究和经济生活中重要现象的物理过程,它们是有很重要的研究价值。它们可以用于模拟天气,洋流,管道中的水流,星系中恒星的运动,翼型周围的气流。它们也可以用于飞行器和车辆的设计,血液循环的研究,电站的设计,污染效应的分析,等等。 纳维-斯托克斯方程依赖微分方程来描述流体的运动。不同于代数方程,这些方程不寻求建立所研究的变量(譬如速度和壓力)的关系,而寻求建立这些量的变化率或通量之间的关系。用数学术语来讲,这些变化率对应于变量的导数。其中,最简单情况的0粘滞度的理想流体的纳维-斯托克斯方程表明,加速度(速度的导数,或者说变化率)是和内部压力的导数成正比的。 这表示对于给定的物理问题,比如用微积分才可以求得其纳维-斯托克斯方程的解。实用上,也只有最简单的情况才能用这种方法获得已知解。这些情况通常涉及稳定态(流场不随时间变化)的非紊流,其中流体的粘滞系数很大或者其速度很小(低雷诺数)。 对于更复杂的情形,例如厄尔尼诺这样的全球性气象系统或机翼的升力,纳维-斯托克斯方程的解必须借助计算机才能求得。这个科学领域称为计算流体力学。 虽然紊流是日常经验中就可以遇到的,但这类非线性问题极难求解。克雷数学学院于2000年5月21日设立了一个$1,000,000的大奖,奖励任何对于能够帮助理解这一现象的数学理论作出实质性进展的任何人。.

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爱尔兰

爱尔兰(Ireland;Éire),通称愛爾蘭共和國(Republic of Ireland;Poblacht na hÉireann),是一个西欧国家,欧盟成员国之一,位于欧洲大陆西北海岸外的爱尔兰岛,约占该岛南部的5/6面积。剩餘东北部的1/6面积属于英国,称北爱尔兰。首都位於愛爾蘭島東部的都柏林。愛爾蘭在2011年共計有458萬人口,是一個議會共和制國家。此外愛爾蘭也是歐洲聯盟、歐洲理事會、經濟合作與發展組織、世界貿易組織和聯合國等国际組織的成員。 愛爾蘭共和國成立於1922年的愛爾蘭自由邦,結束了大英帝國的統治,愛爾蘭獨立戰爭後簽訂了英愛條約,愛爾蘭獨立,但東北方的領土繼續留在聯合王國內,形成了北愛爾蘭。.

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质量守恒定律

質量守恆定律是自然界普遍存在的基本定律之一。此定律指出,對於任何物質和能量全部轉移的系統來說,系統的質量必須隨著時間的推移保持不變,因為系統質量不能改變,不能增加或消除。因此,質量隨著時間的推移而保持不變。這定律意味著質量既不能被創造也不能被破壞,儘管它可能在空間中重新排列,或者與之相關的實體可能在形式上發生變化,例如在化學反應中,反應前化學成分的質量是等於反應後組分的質量。 因此,在孤立系統中的任何化學反應和低能量熱力學過程期間,反應物或起始材料的總質量必須等於產物的質量。質量守恆的概念在化學,力學和流體動力學等許多領域得到了廣泛的應用。歷史上,米哈伊爾·羅蒙諾索夫(Mikhail Lomonosov)獨立發現了化學反應中的質量守恆,後來在18世紀晚期被安托萬·拉瓦錫(Antoine Lavoisier)重新發現。從煉金到化學的現代自然科學,這一規律的製定至關重要。 質量的守恆只是近似的,被認為是來自經典力學的一系列假設的一部分。在質量 - 能量等價的原則下,必須對該定律進行修改,使其符合量子力學和狹義相對論的規律,即能量和質量形成一個守恆量。對於非常有能量的系統來說,質量守恆是不成立的,核反應和粒子物理學中的粒子 - 反粒子湮滅就是這種情況。 質量在開放系統中通常也不被保存。當各種形式的能源和物質被允許進出系統時就是這種情況。然而,除非涉及放射性或核反應,否則從熱量,機械功或電磁輻射等系統逸出的能量通常太小而不能被測量為系統質量的下降。 對於涉及大引力場的系統,必須考慮廣義相對論,其中質能守恆成為一個更為複雜的概念,受到不同定義的限制,質量和能量也不如嚴格守恆狹義相對論。.

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黏度

黏度(Viscosity),是黏性的程度,是材料的首要功能,也称动力粘度、粘(滞)性系数、内摩擦系数。不同物质的黏度不同,例如在常温(20℃)及常压下,空气的黏度为0.018mPa·s(10^-5),汽油为0.65mPa·s,水为1 mPa·s,血液(37℃)为4~15mPa·s,橄榄油为102 mPa·s,蓖麻油为103 mPa·s,蜂蜜为104mPa·s,焦油为106 mPa·s,沥青为108 mPa·s,等等。最普通的液体黏度大致在1~1000 m Pa·s,气体的黏度大致在1~10μPa·s。糊状物、凝胶、乳液和其他复杂的液体就不好说了。一些像黄油或人造黄油的脂肪很黏,更像软的固体,而不是流动液体。 黏滯力是流體受到剪應力變形或拉伸應力時所產生的阻力。在日常生活方面,黏滯像是「黏稠度」或「流體內的摩擦力」。因此,水是「稀薄」的,具有較低的黏滯力,而蜂蜜是「濃稠」的,具有較高的黏滯力。簡單地說,黏滯力越低(黏滯係數低)的流體,流動性越佳。 黏滯力是粘性液體內部的一種流動阻力,並可能被認為是流體自身的摩擦。黏滯力主要來自分子間相互的吸引力。例如,高粘度酸性熔岩產生的火山通常為高而陡峭的錐狀火山,因為其熔岩濃稠,在其冷卻之前無法流至遠距離因而不斷向上累加;而黏滯力低的鎂鐵質熔岩將建立一個大規模、淺傾的斜盾狀火山。所有真正的流體(除超流體)有一定的抗壓力,因此有粘性。 沒有阻力對抗剪切應力的流體被稱為理想流體或無粘流體。 黏度\mu定義為流體承受剪應力時,剪應力與剪應變梯度(剪應變隨位置的變化率)的比值,数学表述为: 式中:\tau为剪应力,u为速度场在x方向的分量,y为与x垂直的方向坐标。 黏度較高的物質,比較不容易流動;而黏度較低的物質,比較容易流動。例如油的黏度較高,因此不容易流動;而水黏度較低,不但容易流動,倒水時還會出現水花,倒油時就不會出現類似的現象。.

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雷诺数

流体力学中,雷诺数(Reynolds number)是流体惯性力\frac与黏性力\frac比值的量度,它是一个無量纲量。 雷諾數較小時,黏滯力對流場的影響大於慣性力,流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減,流體流動穩定,為層流;反之,若雷諾數較大時,慣性力對流場的影響大於黏滯力,流體流動較不穩定,流速的微小變化容易發展、增強,形成紊亂、不規則的紊流流場。.

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柯西应力张量

柯西应力张量(Cauchy stress tensor,通常以\boldsymbol\sigma\,\!表示),又称为真实应力张量(true stress tensor) ,是连续介质力学里用现时构形描述的二阶应力张量,以法国数学家奥古斯丁·路易·柯西的名字命名。该张量为对称张量,其九个分量(六个独立分量)表示某一点的应力状态。假设n为单位方向矢量,T(n)为通过与n垂直平面的应力矢量,则T(n)与n之间的关系为 其中柯西应力张量 \left \equiv \left \equiv \left \,\!.

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流体力学

流體力學(Fluid mechanics)是力學的一門分支,是研究流體(包含氣體、液體及等離子體)現象以及相關力學行為的科學。流體力學可以按照研究對象的運動方式分為流體靜力學和流體動力學,前者研究處於靜止狀態的流體,後者研究力對於流體運動的影響。流體力學按照應用範圍,分為:空氣力學及水力學等等。 流體力學是連續介質力學的一門分支,是以宏觀的角度來考慮系統特性,而不是微觀的考慮系統中每一個粒子的特性。流体力学(尤甚是流體動力學)是一個活躍的研究領域,其中有許多尚未解決或部分解決的問題。流體動力學所應用的數學系統非常複雜,最佳的處理方式是利用電腦進行數值分析。有一個現代的學科稱為計算流體力學,就是用數值分析的方式求解流體力學問題。是一個將流體流場視覺化並進行分析的實驗方式,也利用了流體高度可見化的特點。 理論流體力學的基本方程是纳维-斯托克斯方程,簡稱N-S方程,纳维-斯托克斯方程由一些微分方程組成,通常只有透過給予特定的邊界條件與使用數值計算的方式才可求解。纳维-斯托克斯方程中包含速度\vec.

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另见

流体力学中的方程