流体力学方程中对流项与扩散项的个人理解
对于流体力学的物理规律描述,输运方程是必不可少的部分。流体力学的输运方程的统一表达为:
连续性方程、动量方程和能量方程分别从质量守恒、动量守恒和能量守恒的角度对输运方程各个项进行了详细表述,并形成完整可解的微分方程组。绝大多数流体力学问题,将连续性方程、动量方程和能量方程三者结合,至少理论上是可解的。
对于输运方程,瞬态项和源项的物理含义都很容易理解。但是往往对流项和扩散项容易混淆。对此,需要结合数学推导过程,将两者的区别和联系以及背后的物理机理阐述清楚。
对于任意几何形状的控制体(静止的封闭空间区域),物理量的守恒定律可采用广义的连续性方程表述:
上述方程物理含义为:物理量在控制体内部变化率和控制体表面物质交换速率总和等于各个源的生成速率。若方程右侧为0则表明物理量的变化仅取决于内外部的物质交换,无内部生成机制。广义的连续性方程是通用方程,流体力学的三大基本方程为上述方程在流体力学领域的具体应用。
对广义的连续性方程中曲面积分项根据高斯定理进行变换,可得应用于流体力学的微分形式广义连续性方程(控制体无穷小时的极限状态):
针对流体应用,广义连续性方程右侧做出相应修改。
流体连续性方程,右侧为0,因为质量不可能凭空改变。
动量方程,右侧为流体中各类力的作用机制。对比开头的输运方程,压力和粘性是属于扩散项部分。压力梯度项表明,流动趋势是从高压向低压流动,导致压力差减少。粘性项为流体不同部分的摩擦力作用,导致流体动能转变为热能。上述两项从热力学角度而言,均是熵增过程。
能量方程,右侧为流体的各类热能生成机制。对比开头的输运方程,外力做功和热传导是扩散项部分。显然,这两项是熵增过程。
对上述方程进行对比可知,对广义连续性方程进行变换后,方程右侧均存在梯度项,且相关的物理过程是熵增过程。
从控制体的角度来说:
1 对流项的实质为控制体在边界处和外界的物质交换作用
2 扩散项为广义连续性方程中源项的一部分,展示了源项的工作细节
3 扩散和物理量的梯度分布有关,是不可逆的过程,表明了流体的内部熵增加
4 多数问题中,对流和扩散两者同时存在,有着复杂的相互作用