The Euler Equation

在一定时间 𝛿𝑡 内,穿过某个边界的动量通量为

Momentum Flux=𝛿𝑡×𝑆(𝜌𝐮)𝐮d𝐒

其中 𝑆=𝜕𝑉。那么考虑某个体积 𝑉,总的动量变化率可以看成体积中动量的流入通量加上所受的合外力:

dd𝑡𝑉𝜌𝐮d𝑉=𝑆(𝜌𝐮)𝐮d𝐒+Force

利用散度定理将动量通量那一项转换为体积分,考虑某个分量 𝑖

𝑆(𝜌𝑢𝑖)𝐮d𝐒=𝑉𝜌𝛁·𝑢𝑖𝐮d𝑉=𝑉𝜌𝜕𝜕𝑥𝑗(𝑢𝑖𝑢𝑗)d𝑉

由于不可压缩流体 𝛁·𝐮=𝜕𝑗𝑢𝑗=0。可以有下面的化简:

𝜕𝑗(𝑢𝑖𝑢𝑗)=𝑢𝑖𝜕𝑗𝑢𝑗+𝑢𝑗𝜕𝑗𝑢𝑖=𝐮𝛁·𝐮+(𝐮𝛁)𝐮

所以最终方程转化为:

𝑉𝜌(𝜕𝐮𝜕𝑡+(𝐮𝛁)𝐮)d𝑉=𝑉𝜌D𝐮D𝑡d𝑉=Force

为了理解这个方程,我们回顾 Basis 中关于物质微分的定义,它表示某个物质团在流动过程中的变化率,研究的对象是物质团而不是该固定点。在这里,它表示该物质团动量的变化率,我们将视角转换为拉格朗日描述,某个物质团动量的变化率自然就是其所受的合外力。

Pressure

从微观上来讲,压强来自于原子和分子的运动。这里只把压强表现为作用于流体表面的力。施加在流体团 𝑉 表面 𝛿𝑆 的力表示为:

𝐹pressure=𝑃(𝐱,𝑡)𝐧𝛿𝑆

流体运动方程转换为

𝑉𝜌D𝐮D𝑡d𝑉=𝑆𝑃d𝐒+Other Forces

利用散度定义将压强项转换为体积分,然后约去积分号,得到微分形式为:

𝜌D𝐮D𝑡=𝛁𝑃+𝐟

这就是欧拉方程 (Eular equation)。满足欧拉方程的流体称为理想 (ideal) 流体。

欧拉方程是向量方程,其包含三个方程,加上不可压缩流体的方程,求解四个动力学量 𝐮𝑃 就是本章的主要内容。

Momentum Conservation

假设没有其余的外力,即 𝐟=0,那么欧拉方程能被写为

𝜕𝜌𝑢𝑖𝜕𝑡+𝜕𝜕𝑥𝑗(𝜌𝑢𝑖𝑢𝑗+𝑃𝛿𝑖𝑗)=0

从方程可以看出守恒量为三个方向的动量,方向 𝑖 的动量对应一个流。不过和电流守恒方程不同的是,这里的动量是一个矢量,与之对应的流是一个二阶张量

Π𝑖𝑗=𝜌𝑢𝑖𝑢𝑗+𝑃𝛿𝑖𝑗

张量表示了 𝑖 方向的动量向 𝑗 方向的传播量。

Application of the Euler equation

Archimedes’ Principle