流体力学(连续性方程)
流体的连续性方程
流体的连续性方程
流体的连续性方程是描述流体运动的基本方程之一，它揭示了流体
在运动过程中质量守恒的原理。
下面将从理论基础、连续性方程的推
导以及应用等方面进行讨论。
一、理论基础
连续性方程是基于流体的连续性假设而推导得出的。
连续性假设认为，在流体运动过程中，流体的体积虽然不断变化，但质量保持不变。
流体在某个截面上的质量密度乘以截面积等于流体通过该截面的质量
流量。
二、连续性方程的推导
设流体通过某个平面截面的质量流量为Q，截面的面积为A，流体
的密度为ρ，流体在通过截面进入和流出的速度分别为v1和v2。
根据
质量守恒的原理，流入流出的质量应该相等，则有：
ρA * v1 = ρA * v2
接着，我们可以对上式进行化简，得到：
v1 = v2
这就是连续性方程，它表明了流体在运动过程中速度的连续性。
三、连续性方程的应用
连续性方程在流体力学中具有广泛的应用。
例如，在管道流动中，
通过管道的流体密度是保持不变的，因此可以利用连续性方程来描述
流体在管道中的速度变化。
在自然界中，例如河流流动、空气运动等，也可以应用连续性方程来研究非定常流体运动的规律。
此外，连续性方程还与其他流体方程相互配合，如欧拉方程、伯努
利方程等，共同构成了解决流体力学问题的重要工具。
综上所述，流体的连续性方程是一种描述流体运动的基本方程，它
是基于流体的连续性假设进行推导的。
连续性方程揭示了流体在运动
过程中质量守恒的原理，具有重要的理论和应用价值。
连续性方程是什么定律在流体力学中的应用
连续性方程是什么定律在流体力学中的应用
连续性方程是流体力学中的一个重要定律。
它表明物质的流动是连续的，即它是恒定的，不会失去或添加。
连续性方程定义了流体力学中影响流动的主要变量，即流体密度，速度
和压力。
它可以用一个公式来描述：ρ/ t + (ρv/ x ) + (ρvv/ y ) + (ρwz / z ) = 0。
这个方程描述了流体在时间和空间上的变化，即随着时间的推移，物质的流动越来越慢，可以用来研究气体和液体的流动。
可以用来评估各种变量，如流体密度、速度、压力和其
他变量的影响。
在应用连续性方程时，必须考虑在流体的混合阶段，如随着时间的推移，物质中必须有交换力存在，以使其不减少或增加。
在流体力学中，能量方程和动量方程也可以用来研究流体的运动。
当应用连续性方程时，可以考察不同变量对流体动力学的影响，比如不同密度和速度的流
体如何影响液体的压力，以及流体在某一时刻的运动行为等。
这可以帮助科学家们更好地
理解流体的运动。
总的来说，连续性方程是流体力学中重要的定律，可以用来描述和研究气体和液体的流动状态。
它考察的变量如浓度，速度和压力的影响可以帮助科学家们更好地理解流体的运动
特性。
连续性方程则是流体力学中重要的定律，也是在研究流体动力学时必不可少的方程。
流体力学的基本方程式
流体力学的基本方程式流体力学是研究流体力学原理和现象的一门学科。
它主要研究流体的运动和变形规律，包括速度、压力、密度和温度等参数的分布及其相互关系。
流体力学的基本方程式包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程式用来描述流体的性质和运动，对于解决流体力学问题至关重要。
下面将逐一介绍这些方程式及其应用。
1. 连续性方程连续性方程描述了流体的质量守恒规律。
它基于质量守恒原理，即在流体中任意一点的质量净流入/流出率等于该点区域内质量的减少率。
连续性方程的数学表达式是：∂ρ/∂t + ∇•(ρV) = 0。
其中，ρ是流体的密度，t是时间，V是流体的流速矢量，∇•表示散度运算符。
连续性方程的应用范围广泛，例如用于描述气象学中的气流动力学、河流的水量和水质传输等。
2. 动量方程动量方程描述了流体的运动规律。
它基于牛顿第二定律，即流体的运动是由外力和内力共同作用的结果。
动量方程的数学表达式是：ρ(∂V/∂t + V•∇V) = -∇P + ∇•τ + ρg。
其中，P是压力，τ是应力张量，g是重力加速度。
动量方程是解决流体流动问题的关键方程，可以用于模拟气象学中的风场、水力学中的水流、航空航天中的气体流动等。
3. 能量方程能量方程描述了流体的能量转换和传递规律。
它基于能量守恒原理，即在流体中任意一点的能量净流入/流出率等于该点区域内能量的减少率。
能量方程的数学表达式是：ρCv(∂T/∂t + V•∇T) = ∇•(k∇T) + Q - P(∇•V) + ρg•V。
其中，Cv是比热容，T是温度，k是热传导系数，Q是体积热源项。
能量方程可用于模拟热传导、对流和辐射现象，例如地下水温场、燃烧室的工作原理等。
流体力学的基本方程式是解决各种流体流动问题的基础，通过对这些方程式的应用，可以揭示流体的行为和性质，为实际工程和科学研究提供指导。
在实际应用中，还可以结合数值模拟和试验数据，进一步分析和预测流体力学问题的解，为工程决策和科学研究提供依据。
流体力学中的连续性方程
流体力学中的连续性方程在流体力学中，连续性方程是描述流体运动过程中质量守恒的基本方程之一。
它阐述了流体在运动中质量的守恒原理，即在密度不变的条件下，流体在某一给定截面上的流量必须与该截面的流体入口和出口的流量相等。
本文将详细介绍连续性方程的含义、数学表达形式以及其在流体力学中的应用。
1. 连续性方程的含义连续性方程是基于质量守恒原理推导出来的，在没有外界质量输入或输出的情况下，流体质量在运动中必须保持不变。
该方程依赖于流体的不可压缩性，即密度在流场中不发生变化。
连续性方程描述了在任意给定截面上的流体运动情况，它表明流动的流体在同一截面上的进出量必须相等。
2. 连续性方程的数学表达形式连续性方程可以用数学形式来表示，通常使用流体的质量流率来描述流体在给定截面上的流动情况。
流体的质量流率定义为单位时间内通过给定截面的质量。
设流体通过某一截面的面积为A，流速为v，流体的密度为ρ，则流体的质量流率为ρAv。
根据质量守恒原理，流体在进入和离开给定截面时，质量流率必须相等，即:ρ₁A₁v₁ = ρ₂A₂v₂其中，ρ₁和ρ₂分别为流体在截面一和截面二处的密度，A₁和A₂为截面一和截面二的面积，v₁和v₂为截面一和截面二处的流速。
3. 连续性方程的应用连续性方程在流体力学中有着广泛的应用。
首先，它用于解决流体力学问题中的流量分布和速度分布计算。
通过应用连续性方程，我们可以根据流量和密度的已知值，求解出流体的流速。
这对于通常需要研究流体的流动速度分布的问题非常有用。
其次，连续性方程也可用于设计流体力学实验。
通过选定不同的截面，我们可以实验测量流速和相应的流量，验证连续性方程是否成立。
实验结果与连续性方程的理论计算相符则证明了实验的准确性。
此外，连续性方程在物理建模和工程计算中也发挥着重要的作用。
根据流体的运动规律和边界条件，我们可以通过连续性方程建立数学模型，并通过求解连续性方程来预测和分析流体运动的行为。
综上所述，连续性方程在流体力学中具有重要的地位和作用。
流体力学中的连续性方程
流体力学中的连续性方程流体力学是研究流体运动规律的学科，而连续性方程则是流体力学中重要的基础方程之一。
连续性方程描述了流体质点的质量守恒规律，揭示了流体在运动过程中物质的连续性变化。
连续性方程的基本原理可以通过质量守恒定律推导得到。
在流体运动过程中，考虑一个固定的控制体，其边界与流体相接触。
流体在进入和离开控制体的过程中质量不会发生变化，这是因为流体是连续的，不存在断裂。
根据质量守恒定律，流体质量的变化率等于流体质量通过控制体边界的净流量。
假设控制体体积为V，流体质量为m。
则在某个时刻t下，流体质量的变化量dm可以表示为：dm = ρ(t)·dV其中，ρ(t)表示流体在时刻t下的密度，dV为控制体体积的微元。
连续性方程的基本思想就是要求流体质量的变化量等于流体质量通过边界的净流量。
因此，对于控制体内部的任意体积元，质量的变化量应等于通过表面流出的质量。
考虑流体进入和离开控制体的过程，总的质量流入率减去总的质量流出率等于质量变化率。
即，d/dt ∫ρ(t)·dV = - ∫ρ(t)·(v·n)·dA其中，d/dt表示对时间的导数，∫表示对整个控制体体积的积分，∫表示对控制体表面的积分，v表示流体速度，n表示控制体边界的外法向量。
将等式两边进行整理，可得连续性方程的一般表达式：∂ρ(t)/∂t + ∇·(ρ(t)·v) = 0其中，∂ρ(t)/∂t表示流体密度随时间的变化率，∇·(ρ(t)·v)表示速度矢量与流体密度梯度的散度。
连续性方程可以进一步简化为Euler连续性方程和Lagrangian连续性方程两种形式。
在Euler连续性方程中，选择空间坐标系为参考系，通过对流体质点的观测来研究流体运动。
在此情况下，控制体的体积保持不变，即dV = 0。
连续性方程变为：∂ρ(t)/∂t + ∇·(ρ(t)·v) = 0在Lagrangian连续性方程中，选择质点坐标系为参考系，通过跟踪某一特定质点的运动来研究流体运动。
流体力学最基本的三个方程
流体力学最基本的三个方程流体力学是研究流体运动及其相关物理现象的学科。
它的基础有三个最基本的方程，即连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
本文将详细介绍这三个方程的含义和应用。
一、连续性方程：连续性方程，也称为质量守恒方程，描述了流体运动中质量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂ρ/∂t+∇·(ρv)=0其中，ρ是流体的密度，v是流体的速度矢量，∂/∂t表示对时间的偏导数，∇·表示向量的散度。
连续性方程的物理意义是说，质量在流体中是守恒的，即单位体积内的质量永远不会改变。
这是由于流体是连续的，无法出现质量的增减。
这个方程告诉我们，流体在流动过程中的速度变化与流体密度变化是相关的。
当流体流动速度较大时，密度通常会变小，反之亦然。
连续性方程的应用十分广泛。
在管道流动中，我们可以利用连续性方程来推导流速和截面积之间的关系。
在天气预报中，连续性方程被用来描述气象现象，如大气的上升和下沉运动，以及风的生成和消散等。
二、动量守恒方程：动量守恒方程描述了流体运动中动量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂(ρv)/∂t + ∇·(ρvv) = -∇p + ∇·(μ∇v) + ρg其中，p是流体的压强，μ是流体的黏度，g是重力加速度。
动量守恒方程可以理解为牛顿第二定律在流体力学中的推广。
它表示流体在外力作用下的加速度与压力梯度、黏性力、重力的平衡关系。
动量守恒方程的物理意义是说，流体的运动与施加在流体上的各种力密切相关。
当外力作用于流体时，会引起流体的加速度，也即速度的变化。
这个方程告诉我们，流体的加速度是与外力、黏性力和重力共同作用而产生的。
动量守恒方程的应用十分广泛。
在飞行器设计中，我们可以利用动量守恒方程来研究气动力的产生和改变。
在水力学中，动量守恒方程可以用来分析水流的运动、喷流和冲击等。
三、能量守恒方程：能量守恒方程描述了流体运动中能量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂(ρE)/∂t + ∇·(ρEv) = -∇·(pv) + ∇·(κ∇T) + ρg·v +q其中，E是单位质量流体的比总能量（包括内能、动能和位能），T是流体的温度，κ是流体的热传导系数，q是单位质量流体的热源项。
流体力学连续性方程的证明
两边同时除以dxdydzdt后得到
( u ) ( ) ( w) 0 t x y z
u v w d 0 dt x y z
0 对于不可压缩流体， dt d
于是，上式变为：
u v w 0 x y z
如图沿流道任取两个过流断面1为流入断面2为流出断面根据质量守恒定理则断面1上流入的流体质量应等于断面2上流出的流体质量即是
连续性方程的证明
如图所示，在流场中任取一点M，其在直角 坐标系中的位置为（x,y,z)，以M点为中心取 一微元六面体，六面体的边长dx,dy,dz分别 平行于坐标轴。 在x轴方向，dt时间内，通过表面EFGH 流入的质量是：
同理，在y方向和z方向上，时间内通过表面净流入的质量分别 为：
( ) dxdydzdt y
( w) dxdydzdt z
则在dt内通过该微元六面体的净流入的质 量为：
( u ) ( ) ( w) x y z dxdydzdt
该六面微元体原来的总质量为
dxdydz
dt dxdydz t
经过时间dt后，平均密度变为
dt时间内，六面体因密度变 化引起的总质量变化为
dxdydzdt t
根据质量守恒定理有：
( u ) ( ) ( w) x y z dxdydzdt t dxdydzdt
dx dx dydzdt x 2 x 2
由表面ABCD流出的质量是
dx dx 来自 dydzdt x 2 x 2
.
在dt时间内沿X轴方向净流入的质量为：
流体力学 质量守恒方程(连续性方程)
三、总流的连续性方程
恒定、均匀、不可压缩流体
方程的推导依据是： 质量守恒及恒定流的特性。
1、方程：
连续性方程 是不涉及任 何作用力的
方程。
取控制体，考虑到条件 1）在恒定流条件下，流管的形状与位置不随时间改变； 2）不可能有流体经流管侧面流进或流出； 3）流体是连续介质，元流内部不存在空隙； 4）忽略质量转换成能量的可能。 根据质量守恒原理
所涉及的两种概念： （1）系统；（2）控制体。
一、系统、控制体 1、系统 ——由确定的流体质点组成的流体团。
即一团确定的流体质点的集合。 系统边界
——把系统和外界分开的真实或假想的界面。
（1）系统边界的特点： 1> 系统的体积边界面形状、大小随时间改变； 2> 边界上受外力作用； 3> 在系统边界面上无质量交换； 4> 边界上可以有能量交换。
（1）有固定边界域的总流连续方程式
物理意义：流入控制体内的净质量流量与控制体内由于 密度变化在单位时间里所增加的质量相等。 适用范围：恒定流、非恒定流、可压缩、不可压缩流体、 理想流体、实际流体。
（2）恒定流的总流连续性方程
对于恒定流，有 ，则上式为 适用范围：固定边界内所有恒定流，包括可压缩或不可 压缩流体、理想流体、实际流体。
t x y z
（2）恒定不可压缩流体运动微分方程：
u x u y u z 0
x
y
z
2、简单分析：
M y
u y dxdzdt (u y
u y
y
dy)dxdzdt
u y
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流体力学——微分形式的基本方程
内容主要内容
微分形式的连续性方程和动量方程；作用在流体微元上的体积力和表面力；重力场、应力场、压强场；边界条件和初始条件等
微分形式的流体力学基本方程描述空间点邻域内的物理量
关系，求解这些方程可得到物理量在空间分布的细节，上一章讨论了运动参数的空间分布，这一章将把力的分布形式加入基本方程。
本章内容
内容
¾微分形式的连续性方程
¾作用在流体元上的力
¾微分形式的动量方程
¾纳维-斯托克斯（N-S）方程¾边界条件与初始条件
¾压强场
流体运动的连续性
17世纪初，英国年轻科学家哈维（W.Harvey）运用伽利略倡导的定量研究原则，测量出人的心脏每小时泵出约540磅（245Kg）的血，相当于人体重的两倍多，这么多血来自何方流向何方呢？
哈维通过实验和逻辑思维否定了统治人类1400多年的陈旧观念，大胆提出从动脉到静脉的血液循环理论，虽然当时还不知道毛细血管的存在。
直至45年后从发明的显微镜里首次观察到毛细血管，证实了哈维的理论。
血液循环理论是流体连续性原理的胜利，在科学史上有里程碑的意义。
(图B3.1.1)
微分形式的连续性方程
如图B3.1.1所示，
设流体流过以M(x,y,z)
为基点，以dx,dy,dz为
边长的控制体元。
在δt时间内沿x方向净流出控制体（流出质量减去流入质量）的质量为
取极限后可得
利用质点导数概念，可改写为
方程适用于：任
在直角坐标系中为
可压缩流体定常运动
因，由（B3.1.6在直角坐标系中为
表面力
表面力为流场中假想面一侧的流体（或固体）对另一侧流体的接触力，如压强、粘性切应力等
作用在流体面积元上的表面力（）除了与空间位置、时间有关
外，还与面积元的方位有关。
作用在过M (x,y,z )点，外法线单位矢
为n 的面积元上的单位面积表面力
（图B3.2.2）为：
A t z y x A δδδs n F p 0lim ),,,(→=(B3.2.5)
称为表面应力，脚标n 代表面积元的方位
s
F δA δn p
设
简称为重力势，是单位质量流体元具有的重力势能
向应力，静止流体中的表面应
力始终与作用面垂直。
在静止流体中一点的法向应力
称p为静压强，就是热力学中的平衡压强，负号表示流体只受压
运动的无粘性流体中也没有切向应力，应力状态与静
（向）
= = =
把压强从法向应力中分离出来式中
（图B3.2.6）
应力矩阵可写成：
(B3.2.22) 上式右边第一项称为静压强项，第二项称为“偏应力”项，由流体运动产生（静止时为零）
上式又称为流体运动微分方程。
它表明：
单位体积流体元上的体积力及三个方向的表面应力梯度造成了单位体积流体元的加速度。
(B3.4.1)
矢量式为
N-S 方程
(B3.4.2)和(B3.4.3)式称为不可压缩牛顿流体的纳维-斯托克斯方程，若不特别说明习惯上简称为N-S方程
N-S方程是牛顿第二定律应用于流体运动中的特殊形式
N-S方程是牛顿第二定律应用于牛顿粘性流体流动中的表
达式。
由N-S方程可看到，引起单位体积流体元加速度的
作用力是：体积力＋压强梯度＋粘性应力散度。
压强和粘性应力是表面力，当它们作用在流体元某一方向上处于平衡状态时不引起该方向的加速度。
只有存在梯度（粘性应力在各个方向上的作用合力是粘性应力的散度）时才引起加速。
N-S方程是本课程中占主导地位的控制方程，在不同条件下对不同流体模型可化为不同形式
N-S方程加上连续性方程构成封闭的方程组，可在适当的边界条件和初始条件下求解
(图B3.5.2)
初始条件
对定常流无初始条件
对非定常流应知道初始时刻（t=0）的速度和压强分布
压强场
压强在流体运动、流体与固体相互作用中扮演重要角色，如机翼升力、高尔夫球及汽车的尾流阻力都与压强有关，龙卷风产生强大的负压强作用，液压泵和压缩机推动流体做功是正压强作用的结果
从(B3.4.5)式中可见
在静止流体、相对静止流体及粘性运动流体中的压强分布规律将明显不同
(B3.6.5)式称为匀质静止液体中的压强公式，它表明
在垂直方向，压强与淹深成线性关系；
在水平方向（h =常数），压强为常数，水平面是等压强面简称等压面
（静止液体中的压强分布）（动画1）
相对静止流体中的压强分布将在C1.4节中讨论。
[例B04]静压强分布图。