等離子體物理學導論L9

IntroductiontoPlasmaPhysics等離子體物理學導論主講:陳耀第9講山東大學威?？臻g天氣物理與探測研究中心2009.3–2009.6等離子體物理學導論L9流體力學簡介第一節(jié):引言第二節(jié):基本定義概念與流體的基本特性第三節(jié):描述流體數(shù)學方法第四節(jié):流體力學基本方程組等離子體物理學導論L9第一節(jié)引言等離子體物理學導論L9等離子體物理學導論L9等離子體物理學導論L9等離子體物理學導論L9定義:受任何微小剪切力作用都能連續(xù)變形的物體.通俗地說就是易流動的物體.它分兩種:液體是指有自由表面的流體,而氣體是指沒有自由表面,可以充滿容納它的整個空間的流體.

流體與固體不同:固體受到切應力會產(chǎn)生形變,粒子之間具有固定的相對位置,并滿足應力與應變之間的關系.

但流體受到切應力即開始流動.且流體組元間的相對位置不固定.沙子不是流體的原因:沙子雖然有一定的流動性,但那是因為沙粒間不易支撐,如果選取很小的一部分出來,例如選一粒沙,它是固體,不會流動.而流體要求不論選取多小的一點出來都有流動性.第二節(jié)基本定義概念與流體的基本特性等離子體物理學導論L9流體力學研究流體的宏觀運動規(guī)律,流體力學三要素:流體運動和力應用三大定律建立流體力學基本方程組:質(zhì)量守恒動量守恒(牛二)能量守恒（熱力學第一定律）流體的數(shù)學模型：(取微觀上充分大、宏觀上充分小的流體元，稱為流體質(zhì)點；將流體運動的空間看作是流體質(zhì)點連續(xù)無空隙地充滿著的假設稱為連續(xù)介質(zhì)假設。)流體元內(nèi)部粒子的平均物理性質(zhì)不受單個分子離散運動的影響，即微觀運動被完全平滑掉得到平滑的宏觀參數(shù)，密度速度溫度等等離子體物理學導論L9流體的三大特性:易變形性粘性可壓縮性流體的易變形性：流體不能抵抗任何剪切力作用下的變形趨勢易變形性是流體區(qū)別于固體的基本特征由于流體非常容易變形，內(nèi)部常具非常復雜的結構，如渦漩湍流等;高爾夫球與汽車受到的阻力,機翼升力都與其尾部形成的渦流有關.流體的粘性：流體的流動并不是無限制的，限制性因素就是流體的粘性。牛頓最早提出概念，認為流體內(nèi)部相對運動存在內(nèi)摩擦，該力與相對運動的速度成正比。流體粘性是兩層流體間分子內(nèi)聚力和分子動量交換的宏觀表現(xiàn)（動量變化=力）流體的可壓縮性:壓強的變化引起流體體積和密度變化的特性，稱為流體的可壓縮性；顯然，氣體的可壓縮性非常大。流體的可壓縮性決定了流體中聲波的傳播速度，可壓縮性越強，聲速越小。等離子體物理學導論L9氣體與液體的粘性的主要物理機制完全不同液體：分子內(nèi)聚力(表面張力）氣體：分子熱運動動量交換等離子體物理學導論L9Q：課堂思考：隨著溫度的升高,氣體與液體的粘性會分別有何變化?等離子體物理學導論L9拉格朗日法,又稱隨體法,跟隨某質(zhì)點一起運動:質(zhì)點軌跡的概念描述:質(zhì)點初始坐標a,b,c，以此為記號,r=r(a,b,c,t)需考慮單個質(zhì)點的運動軌跡，較復雜，只能描述有限質(zhì)點情況歐拉法,又稱當?shù)胤?給出在空間中各點上的物理參數(shù),是空間坐標參數(shù)分布的概念用速度的全空間分布即速度場u=u(x,y,z,t)表示，方便直接根據(jù)速度分布，可以求出軌跡來。第三節(jié)描述流體運動的數(shù)學方法等離子體物理學導論L9拉格朗日法:質(zhì)點運動的矢徑表示歐拉法:速度場即速度的空間分布兩種表示方法的相互轉(zhuǎn)換：拉格朗日法歐拉法歐拉法拉格朗日法等離子體物理學導論L9流體質(zhì)點的隨體導數(shù)及其歐拉表示流體質(zhì)點的導數(shù)(隨體導數(shù))是質(zhì)點物理量在運動中隨時間的變化率等離子體物理學導論L9將拉格朗日描述中的隨體導數(shù)用歐拉變數(shù)表示，是流體力學中非常重要的基本思想隨體導數(shù)（絕對微商）=當?shù)刈兓?局地微商)：在固定點處的時間變化引起的場的變化

+遷移變化率：固定時刻，空間位置變化引起的物理量變化等離子體物理學導論L9Q：課堂思考:說明下列表達式的物理意義?流體速度的隨體導數(shù)為流體質(zhì)點的加速度，分成兩部分，一部分源自速度場本身的不定常性，一部分來自質(zhì)點運動造成的空間位置的變化所引起的速度的變化。密度雷同。等離子體物理學導論L9第四節(jié)流體力學基本方程組1.流體運動的質(zhì)量守恒方程另一種推導方法：流體元中的總質(zhì)量守恒，可得出：相對密度變化率等于負的相對體積膨脹率。直接從體積分和速度體積元dxdydz中的粒子數(shù)密度的時間變化率等于流出體積元各截面的凈流入量，速度散度的物理意義？給出流體的不可壓條件，不可壓是不是代表密度=常數(shù)（即不可壓均質(zhì)流體，密度不隨時間與空間變化）？等離子體物理學導論L92.流體運動的動量守恒方程作用于流體元上的力可分為體積力和面積力體積力是作用于所有質(zhì)點上的力,如重力、電磁力和慣性力；表面力是只作用力所分出的流體側(cè)面的力，如流體壓力，內(nèi)摩擦力等，作用在單位面積上的表面力稱為應力。注意由于表面應力通過接觸面起作用的。任意流體元接觸面可有任意法向，在每個方向均可受到一不確定方向的矢量應力。顯然，為了描述應力狀態(tài)，僅使用矢量是不夠的，而必須使用。。。。。。等離子體物理學導論L9圖中，截面dA受到的應力記為：法向正應力+其它兩個側(cè)面上受到的切應力應力張量：與表面法向單位矢量的內(nèi)積可得到該流體元在表面處受到的應力等離子體物理學導論L9X方向正應力XZ面