流体力学雷诺方程的推导
主要参数R= 20mm, L=40 mm, n=1000 rpm, ε=0.3, c=2 mm.
各种流体润滑问题都涉及在狭小间隙中的流体粘性流动，描写这种物理现象的基本方程为雷诺方程，他的普遍形式是
)2(6()(22t
h
y h V x h U y p h y x p h x ??+??+??=????+????ρρρηρηρ） 这个椭圆形的偏微分方程仅仅对于特殊的间隙形状才可能求得解析解，而对于复杂的几何形状或者工况条件下的问题，无法用解析方法求得精确解。随着迅速发展的点算技术，数值算法成为求解润滑问题的有效途径。
数值法师讲偏微分方程转化为代数方程组的变换方法。它的一般原则是：首先将求解域划分成有限个数的单元，并使每一个单元充分的微小。以至于可以认为在各单元内的未知量（本人毕业设计中设油膜压力为P ）相等或者依照线性变化，而不会造成很大的误差。然后，通过物理分析或数学变换方法，将求解的偏微分方程写成离散形式，即使将它转化成一组线性代数方程。该代数方程组表示了各个单元的待求未知量于周围各单元未知量的关系。最后根据消去法或者迭代法求解代数方程组，从而求得整个求解域上的未知量。
用来求解雷诺方程的数值方法很多，最常用的是有限元差分方法、有限元法和边界元法，这些方法都是将求解域划分成许多个单元，但是处理方法各不相同。在有限差分法和有限元法中，代替基本方程的函数在求解域内是近似的，但完全满足边界条件。而边界元法所用的函数在求解域内完全满足基本方程，但是在边界上则近似的满足边界条件。
一、雷诺方程的数值解法
根据边界条件求解雷诺方程，这在数学上称为边值问题。
首先将所求解的偏微分方程无量纲化。这样做的目的是减少自变量和因变量的数目，同时用无量纲参数表示的解具有通用性。
然后，将求解域划分成等距的或者不等距的网格，如图1-1为等距网格。
图1-1
沿轴向将Y 划分为8个等距区间，沿周向从πθθ20==到划分为12个等距区间。这样在Y 方向有13个节点，θ方向有9个节点，总计117913=?个节点。则8
16
1=?=?Y ，πθ。
有限差分法
如果用P 代表所求的未知量例如油膜压力，则变量P 在整个域中的分布可以用各节点的P 值来表示。根据差分原理，任意节点O(i, j)的一阶和二阶偏导数都可以由其周围的节点变量值来表示。
如图1-2所示，如果采用中差分公式，则变量P 在O(i, j)点的偏导数为
图.1-2
θ
θ?-=??-+2,1,1,j i j i j i p p p
）（
（1-1）
y
p p y p j i j i j i ?-=??-+21,1,,）（ 2,,1,1,22)
(2)θθ?-+=??-+j i j i j i j i p p p p （ （1-2）
2
,1,1,,22)(2)y p p p y p j i j i j i j i ?-+=??-+（ 以P 为润滑膜压力，雷诺方程的二维二阶偏微分方程的标准形式为：
E Y
P D P C Y P B P A =??+??+??+??θθ2222 （1-3） 其中A,B,C,D 和E 都为已知量。然后将上述方程应用到各个节点，根据中差分公式（1-1）和（1-2）用差商代替偏导数，即可求得各个节点的变量j i p .于相邻各个节点变量的关系。这种关系可以写成：
G p C p C p C p C p j i W j i E j i S j i N j i ++++=-+-+,1,11,1,, （1-4）
其中
）
y (
2/)2(
/)2(
/)2(
/)2(
2
2
2222?+
?=-
=?-
?=?+?=?-?=?+?=B
A
K
K E G K
C
A C K C
A C K
y
D
y B C K y
D
y B C W E S N θθ
θθ
θ （1-5） 式（1-4）中各系数值随节点位置而改变。
方程（1-4）是有限差分法的计算方程，对于每个节点都可以写出一个方程，而在边界上的节点变量应满足边界条件，它们的数值是已知量。这样，就可以求得一组线性代数方程。方程与未知量数目相一致，所以可以求解。采用消去法或者迭代法求解代数方程组，并使计算结果满足一定的收敛精度，最终求得整个求解域上各节点的变量值。
求解代数方程使用迭代法求解。
1、雷诺方程的无量纲化 定常雷诺方程
x
h
u y p h y x p h x ??=????+????6)()(33ηη (2-1) 将轴承表面沿平面展开，如图1-1所示，并代入.,θθRd dx R x == 得
θ
ηθηθRd h
u h y p Rd p h R ?=??+???6)(3223
等式两边同时乘以2R η 则雷诺方程变为
θ
ηθθd dh R u h y p p h 6)(3223=??+???? (2-2)
若令
22
6,)cos 1(,)/2(,2/c
R u P p Hc c h L R YL y ηθεα==+===
代入后得
222
2233233)2(6)6(L
Y P c R u R c H P c R u c H ??+????ηθηθ θηd dH
R
u 6=
化简得
θ
θθd dH Y P L R H P H =??+????2223
3)2)(（ 将 2)/2L R （=
α代入得 θ
αθθd dH Y P H P H =??+????22
33)( （2-3） 由
Hc c h =+=)cos 1(θε
得
θεcos 1+=H
代入（2-3）式，得
2
23
22
22
)sin (3-Y P H P H P H ??+??+??αθθθε
θθεd d )
cos 1(+=
再次化简得无量纲雷诺方程
32222cos 1sin -cos 1)sin (3-）
（θεθεαθθθεθε+=??+??+??+Y P P P （2-4） R 为轴承半径，L 为轴承长度，ε为偏心c e /=ε率，e 为偏心距，c 为半径间隙，采用有限元差分法进行迭代计算。
式（1-4）为标准形式，参考标准式（1-3）可求得标准式中A,B,C,D,E 的值。
3
)
cos 1(sin ,0,cos 1sin 3,1θεθ
εθεθεα+-==+-
===E D C B A ， 将以上各值代入式（1-5）求得
2
222222
2322222
222
)(2)(2)cos 1(sin 3)cos 1(2sin 3)cos 1(2)
cos 1(2sin 3)cos 1(2)
2)
2Y Y K Y Y G C C Y C Y C W E S N ???+?=
?+???+=
+??++=
+??-+=
?+??=
?+??=
θαθαθθθεθεθεθθ
θεθεθεθθ
θεθεαθθααθθα（（ 将已知值代入式（1-4）得
1
,222
1,222,)
2)2-+?+??+?+??=j i j i j
i P Y P Y P αθθααθθα（（ j i P .12
)cos 1(2sin 3)cos 1(2++??-++θεθθθεθε j
i P ,12)
cos 1(2sin 3)cos 1(2-+??+++
θεθθ
θεθε )(2)cos 1(sin 3222
23Y Y ?+???++
αθθθεθε （2-5）
将
.30,1)40/202()/222==?==εαL R （
代入式（2-5）得迭代方程:
1,2
22
1,222,)
2)2-+?+??+?+??=j i j i j
i P Y P Y P θθθθ（（ j i P .12)
cos .301(2sin .90)cos .301(2++??-++
θθθ
θθ
j
i P ,12)
cos .301(2sin .90)cos .301(2-+??+++
θθθ
θθ )(2)cos .301(sin .90222
23Y Y ?+???++
θθθθ
将8
1
61=?=?Y ，πθ代入上式中，得
1,1,,.90.90-++=j i j i j i P P P
j i P .1)
cos .301(4.50sin 7.40)cos .301(2++-++
θθ
θ
j i P .1)
cos .301(4.50sin 7.40)cos .301(2+++++
θθ
θ
3)cos .301(sin 12.00θθ
++
（2-6）
上式为最终迭代方程。 边界问题：
将轴承表面沿平面展开，如图2-1
图.2-1
对于径向轴承，方程（2-4）中两个自变量的变化范围是：在轴承中间断面上Y=0：在边缘上 Y=1。而θ在π2到0之间变化，这一问题的边界条件为：
（1）轴向方向
在边缘Y=1处，P=0；在中间断面Y=0上，0=??Y
P
. （2）周向方向
按雷诺边界条件：油膜起点在0=θ处，取P=0；油膜终点在发散区间内符合P=0及0=??θP 的地方。
流体力学三大方程的推导(优选.)
微分形式的连续性方程
连续方程是流体力学的基本方程之一，流体运动的连续方程，反映流体运动和流体质量分布的关系，它是在质量守恒定律在流体力学中的应用。 重点讨论不同表现形式的流体连续方程。
用一个微六面体元控制体建立微分形式的连续性方程。 设在流场中取一固定不动的微平行六面体（控制体），在直角坐标系oxyz 中，六面体的边长取为dx ，dy ，dz 。 先看x 轴方向的流动，流体从ABCD 面流入六面体，从EFGH 面流出。 在x 轴方向流出与流入质量之差 ()()[]x x x x u u u dx dydzdt u dydzdt dxdydzdt x x ρρρρ??+-=??
用同样的方法，可得在y 轴方向和z 轴方向的流出与流入 质量之差分别为 ()y u dxdydzdt y ρ??() z u dxdydzdt z ρ??这样，在dt 时间内通过六面体的全部六个面净流出的质量为： ()()()[]y x z u u u dxdydzdt x x x ρρρ???++???
在dt 的时间内，六面体内的质量减少了 ， 根据质量守恒定律，净流出六面体的质量必等于六面体内所减少的质量 ()dxdydzdt t ρ?-?()()()[]y x z u u u dxdydzdt dxdydzdt x y z t ρρρρ ????++=-????()()()0y x z u u u x y z t ρρρρ ????+++=????这就是直角坐标系中流体运动的微分形式的连续性方程。 这就是直角坐标系中流体运动的微分形式的连续性方程。 代表单位时间内，单位体积的质量变化 代表单位时间内，单位体积内质量的净流出
曲线坐标系下流体力学基本方程组的推导
一、曲线坐标系下连续性方程的推导 曲线坐标系下流体力学基本方程组的推导 一、曲线坐标系下连续性方程的推导 首先对有限体积内的质量运动运用拉格朗日观点并根据质量守恒定律推导与坐标系选取无关的微分形式的连续性方程： 质量守恒定律告诉我们，同一流体的质量在运动过程中不生不灭。 在流体中取由一定流体质点组成的物质体，其体积为τ，质量为m ，则 m τ ρδτ=? ()1.1 为了与随体符号d 区别开来，这里用δ来表示对坐标的微分。 根据质量守恒定律，下式在任一时刻都成立 ()0dm d dt dt τ ρδτ==? ()1.2 根据公式： ( ) ()d div dt t ττ??δτ?δτ??? =+ ???? ??v ()1.3，得 ( ) ()0dm d div dt dt t ττρρδτρδτ??? ==+= ???? ??v ()1.4 因τ是任意取的，且假定被积函数连续，由此推出被积函数恒为0，于是有： ()0div t ρ ρ?+=?v ()1.5 ()1.5式就是与坐标系选取无关的微分形式的连续性方程。下面将写出它在曲线坐标下 的形式。 因为()()()1232313121231231 a H H a H H a H H div H H H q q q ?????= ++??????? a ()1.6 所以()()()()1232313121231231 v H H v H H v H H div H H H q q q ρρρρ?????= ++??????? v ()1.7 将()1.7式代入()1.4得到曲线坐标下连续性方程的形式为： ()()()1232313121231231 0v H H v H H v H H t H H H q q q ρρρρ??????+++=???????? ()1.8
(完整版)流体力学雷诺方程的推导
主要参数R= 20mm, L=40 mm, n=1000 rpm, ε=0.3, c=2 mm. 各种流体润滑问题都涉及在狭小间隙中的流体粘性流动，描写这种物理现象的基本方程为雷诺方程，他的普遍形式是 )2(6()(22t h y h V x h U y p h y x p h x ??+??+??=????+????ρρρηρηρ） 这个椭圆形的偏微分方程仅仅对于特殊的间隙形状才可能求得解析解，而对于复杂的几何形状或者工况条件下的问题，无法用解析方法求得精确解。随着迅速发展的点算技术，数值算法成为求解润滑问题的有效途径。 数值法师讲偏微分方程转化为代数方程组的变换方法。它的一般原则是：首先将求解域划分成有限个数的单元，并使每一个单元充分的微小。以至于可以认为在各单元内的未知量（本人毕业设计中设油膜压力为P ）相等或者依照线性变化，而不会造成很大的误差。然后，通过物理分析或数学变换方法，将求解的偏微分方程写成离散形式，即使将它转化成一组线性代数方程。该代数方程组表示了各个单元的待求未知量于周围各单元未知量的关系。最后根据消去法或者迭代法求解代数方程组，从而求得整个求解域上的未知量。 用来求解雷诺方程的数值方法很多，最常用的是有限元差分方法、有限元法和边界元法，这些方法都是将求解域划分成许多个单元，但是处理方法各不相同。在有限差分法和有限元法中，代替基本方程的函数在求解域内是近似的，但完全满足边界条件。而边界元法所用的函数在求解域内完全满足基本方程，但是在边界上则近似的满足边界条件。 一、雷诺方程的数值解法 根据边界条件求解雷诺方程，这在数学上称为边值问题。 首先将所求解的偏微分方程无量纲化。这样做的目的是减少自变量和因变量的数目，同时用无量纲参数表示的解具有通用性。 然后，将求解域划分成等距的或者不等距的网格，如图1-1为等距网格。 图1-1 沿轴向将Y 划分为8个等距区间，沿周向从πθθ20==到划分为12个等距区间。这样在Y 方向有13个节点，θ方向有9个节点，总计117913=?个节点。则8 16 1=?=?Y ，πθ。
流体力学NS方程推导过程
小菜鸟0 引言 流体力学的NS方程对于整个流体力学以及空气动力学等领域的作用非常显著，不过其公式繁琐，推导思路不容易理顺，最近重新整理了一下NS方程的推导，记录一下整个推导过程，供自己学习，也可以供大家交流和学习。 1 基本假设 空气是由大量分子组成，分子做着无规则热运动，我们可以想象，随着观察尺度的逐渐降低，微观情况下流体的速度密度和温度等物理量不可能与宏观情况相同，其物理量存在间断的现象，例如我们在空间中取出一块控制体，当控制体中存在分子时，该控制体的密度等量较大，不存在时就会为0，这在微观尺度下是常见。不过随着观察尺度增加，在宏观情况下，控制体积内包含大量分子，控制体积的压力密度温度速度等物理量存在统计平均结果，这个结果是稳定的，例如流场变量的压力密度和温度满足理想气体状态方程。 自然界中宏观情况的流体运动毕竟占据大多数，NS方程限定了自己的适用条件为宏观运动，采用稍微专业一点难度术语是流体满足连续介质假设。连续介质假设的意思就是说，我们在流场中随意取出流体微团，这个流体微团在宏观上是无穷小的，因此整个流场的物理量可以进行数学上的极限微分积分等运算；同时，这个流体微团在微观上是无穷大的，微团中包含了大量分子，以至于可以进行分子层面的统计平均，获得我们通常见到的流场变量。 连续介质假设成立需要满足：所研究流体问题的最小空间尺度远远大于分子平均运动自由程（标准状况下空气的平均分子自由程在十分之一微米的量级，具体值可以参考分子运动理论），这在大多数宏观情况下都是成立的，也是NS方程能够广泛采用的基础，即使在湍流中，也是成立的，因此才保证NS方程也适用于描述湍流。 有些情况下连续介质假设不成立，存在哪些情况第一种是空间尺度特别小，例如热线风速仪的金属丝，直径通常在1~5微米量级，最小流体微团已经接近分子平均运动自由程，连续介质假设不能直接使用，类似情况还包括激波，激波面受到压缩，其尺度也较小，为几个分子平均自由程量级，不过采用连续介质假设进行激波内流场计算时，计算结果仍然可以得到比较合理，并且与实际情况相符，
流体力学NS方程推导过程
流体力学NS方程简易推导过程 令狐采学 小菜鸟0 引言 流体力学的NS方程对于整个流体力学以及空气动力学等领域的作用非常显著，不过其公式繁琐，推导思路不容易理顺，最近重新整理了一下NS方程的推导，记录一下整个推导过程，供自己学习，也可以供大家交流和学习。 1 基本假设 空气是由大量分子组成，分子做着无规则热运动，我们可以想象，随着观察尺度的逐渐降低，微观情况下流体的速度密度和温度等物理量不可能与宏观情况相同，其物理量存在间断的现象，例如我们在空间中取出一块控制体，当控制体中存在分子时，该控制体的密度等量较大，不存在时就会为0，这在微观尺度下是常见。不过随着观察尺度增加，在宏观情况下，控制体积内包含大量分子，控制体积的压力密度温度速度等物理量存在统计平均结果，这个结果是稳定的，例如流场变量的压力密度和温度满足理想气体状态方程。 自然界中宏观情况的流体运动毕竟占据大多数，NS方程限定了自己的适用条件为宏观运动，采用稍微专业一点难度术语是流体满足连续介质假设。连续介质假设的意思就是说，我
们在流场中随意取出流体微团，这个流体微团在宏观上是无穷小的，因此整个流场的物理量可以进行数学上的极限微分积分等运算；同时，这个流体微团在微观上是无穷大的，微团中包含了大量分子，以至于可以进行分子层面的统计平均，获得我们通常见到的流场变量。 连续介质假设成立需要满足：所研究流体问题的最小空间尺度远远大于分子平均运动自由程（标准状况下空气的平均分子自由程在十分之一微米的量级，具体值可以参考分子运动理论），这在大多数宏观情况下都是成立的，也是NS方程能够广泛采用的基础，即使在湍流中，也是成立的，因此才保证NS方程也适用于描述湍流。 有些情况下连续介质假设不成立，存在哪些情况？第一种是空间尺度特别小，例如热线风速仪的金属丝，直径通常在1~5微米量级，最小流体微团已经接近分子平均运动自由程，连续介质假设不能直接使用，类似情况还包括激波，激波面受到压缩，其尺度也较小，为几个分子平均自由程量级，不过采用连续介质假设进行激波内流场计算时，计算结果仍然可以得到比较合理，并且与实际情况相符，这也给激波问题的研究和解决带来了基础性的保证；第二种是分子平均运动自由程特别大，分子平均运动自由程是指两个分子之间碰撞距离的平均值，这个结果与分子有效直径，分子运动速度等相关，宏观上来讲，温度越高、压力越大，分子平均运动自由程越大，而在
第二章计算流体力学的基本知识
第二章计算流体力学的基本知识 流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些工程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。这章将首先介绍流体动力学的发展和流体力学中几个重要守恒定律及其数学表达式，最后介绍几种常用的商业软件。 2.1 计算流体力学简介 2.1.1计算流体力学的发展 流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20世纪30～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。 数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了"计算流体力学"。 从20世纪60年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。 自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，人们开始利用流动规律来改造自然界。最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。 流体运动的规律由一组控制方程描述。计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解析解。但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解析解。计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力
(完整版)流体力学NS方程推导过程
流体力学NS方程简易推导过程 小菜鸟0 引言 流体力学的NS方程对于整个流体力学以及空气动力学等领域的作用非常显著，不过其公式繁琐，推导思路不容易理顺，最近重新整理了一下NS方程的推导，记录一下整个推导过程，供自己学习，也可以供大家交流和学习。 1 基本假设 空气是由大量分子组成，分子做着无规则热运动，我们可以想象，随着观察尺度的逐渐降低，微观情况下流体的速度密度和温度等物理量不可能与宏观情况相同，其物理量存在间断的现象，例如我们在空间中取出一块控制体，当控制体中存在分子时，该控制体的密度等量较大，不存在时就会为0，这在微观尺度下是常见。不过随着观察尺度增加，在宏观情况下，控制体积内包含大量分子，控制体积的压力密度温度速度等物理量存在统计平均结果，这个结果是稳定的，例如流场变量的压力密度和温度满足理想气体状态方程。 自然界中宏观情况的流体运动毕竟占据大多数，NS方程限定了自己的适用条件为宏观运动，采用稍微专业一点难度术语是流体满足连续介质假设。连续介质假设的意思就是说，我们在流场中随意取出流体微团，这个流体微团在宏观上是无穷小的，因此整个流场的物理量可以进行数学上的极限微分积分等运算；同时，这个流体微团在微观上是无穷大的，微团中包含了大量分子，以至于可以进行分子层面的统计平均，获得我们通常见到的流场变量。 连续介质假设成立需要满足：所研究流体问题的最小空间尺度远远大于分子平均运动自由程（标准状况下空气的平均分子自由程在十分之一微米的量级，具
体值可以参考分子运动理论），这在大多数宏观情况下都是成立的，也是NS 方程能够广泛采用的基础，即使在湍流中，也是成立的，因此才保证NS 方程也适用于描述湍流。 有些情况下连续介质假设不成立，存在哪些情况？第一种是空间尺度特别小，例如热线风速仪的金属丝，直径通常在1~5微米量级，最小流体微团已经接近分子平均运动自由程，连续介质假设不能直接使用，类似情况还包括激波，激波面受到压缩，其尺度也较小，为几个分子平均自由程量级，不过采用连续介质假设进行激波内流场计算时，计算结果仍然可以得到比较合理，并且与实际情况相符，这也给激波问题的研究和解决带来了基础性的保证；第二种是分子平均运动自由程特别大，分子平均运动自由程是指两个分子之间碰撞距离的平均值，这个结果与分子有效直径，分子运动速度等相关，宏观上来讲，温度越高、压力越大，分子平均运动自由程越大，而在高空情况下，压力非常低，自由程可能很大，并且大到与飞行器尺度相近，于是连续介质假设失效，此时必须考虑稀薄气体效应。在层流边界层情况下，分子平均运动自由程与边界层之间存在近似关系： 从这个关系中，可以发现，当马赫数非常大但是同时雷诺数非常小的时候，流场微小尺度才可能达到分子平均运动自由程lmd 的程度。可以想象一下，在大多数我们能观察到的情况下，上述公式的结果都是非常小的，满足连续介质假设，这个公式不成立的情况在大气层外边缘，此时大气分子之间平均动量交换降低，导致粘性变得非常小，雷诺数很高，因此公式计算结果急剧降低，导致连续介质假设失效。 前面讨论了连续介质建设成立的条件以及不成立的例子，下面讨论的都是连 λδ≈
流体力学NS方程推导过程
精心整理 流体力学NS 方程简易推导过程 小菜鸟 0引言 流体力学的NS 方程对于整个流体力学以及空气动力学等领域的作用非常显着，不过其公式繁琐，推导思路不容易理顺，最近重新整理了一下NS 方程的推导，记录一下整个推导过程，供自己学习，也可以供大家交流和学习。 1例会为0子，以至于，这设不能直接使用，类似情况还包括激波，激波面受到压缩，其尺度也较小，为几个分子平均自由程量级，不过采用连续介质假设进行激波内流场计算时，计算结果仍然可以得到比较合理，并且与实际情况相符，这也给激波问题的研究和解决带来了基础性的保证；第二种是分子平均运动自由程特别大，分子平均运动自由程是指两个分子之间碰撞距离的平均值，这个结果与分子有效直径，分子运动速度等相关，宏观上来讲，温度越高、压力越大，分子平均运动自由程越大，而在高空情况下，压力非常低，自由程可能很大，并且大到与飞行器尺度相近，于是连续介质假设失效，此时必须考虑稀薄气体效应。在层流边界层情况下，分子平均运动自由程与边界层之间存在近似关系：
从这个关系中，可以发现，当马赫数非常大但是同时雷诺数非常小的时候，流场微小尺度才可能达到分子平均运动自由程lmd的程度。可以想象一下，在大多数我们能观察到的情况下，上述公式的结果都是非常小的，满足连续介质假设，这个公式不成立的情况在大气层外边缘，此时大气分子之间平均动量交换降低，导致粘性变得非常小，雷诺数很高，因此公式计算结果急剧降低，导致连续介质假设失效。 前面讨论了连续介质建设成立的条件以及不成立的例子，下面讨论的都是连续介质假设范围内的结果。 2连续性方程：质量守恒定律的流体表达 （1 =0 v?或者 1 =- D v ρ ρ ?? （2 3 体积 +控制体体 其中根据引论1和引论2，可知方程左边具有两种偏导数表达形式， （1）微元体表达形式： 根据引论2，上式左边具有这两种偏导数表达形式（一种根据定义，一种引入质量守恒关系）：（2）张量表达形式： 根据引论2，上式左边具有两种偏导数表达形式（一种定义，一种引入质量守恒）： （3）补充说明1：粘性应力表达式 上述公式中，我们将表面力表达为表面压力+粘性力的形式，其中表面压力为法向力，粘性力由流体粘性引起，包括法向力和切向力，根据各项同性假设，粘性应力张量可以表达为：其中，\miu称为动力粘性系数。
流体力学NS方程推导过程
流体力学N S方程推导过 程 It was last revised on January 2, 2021
流体力学N S方程简易推导过程 小菜鸟0 引言 流体力学的NS方程对于整个流体力学以及空气动力学等领域的作用非常显着，不过其公式繁琐，推导思路不容易理顺，最近重新整理了一下NS方程的推导，记录一下整个推导过程，供自己学习，也可以供大家交流和学习。 1 基本假设 空气是由大量分子组成，分子做着无规则热运动，我们可以想象，随着观察尺度的逐渐降低，微观情况下流体的速度密度和温度等物理量不可能与宏观情况相同，其物理量存在间断的现象，例如我们在空间中取出一块控制体，当控制体中存在分子时，该控制体的密度等量较大，不存在时就会为0，这在微观尺度下是常见。不过随着观察尺度增加，在宏观情况下，控制体积内包含大量分子，控制体积的压力密度温度速度等物理量存在统计平均结果，这个结果是稳定的，例如流场变量的压力密度和温度满足理想气体状态方程。 自然界中宏观情况的流体运动毕竟占据大多数，NS方程限定了自己的适用条件为宏观运动，采用稍微专业一点难度术语是流体满足连续介质假设。连续介质假设的意思就是说，我们在流场中随意取出流体微团，这个流体微团在宏观上是无穷小的，因此整个流场的物理量可以进行数学上的极限微分积分等运算；同时，这个流体微团在微观上是无穷大的，微团中包含了大量分子，以至于可以进行分子层面的统计平均，获得我们通常见到的流场变量。 连续介质假设成立需要满足：所研究流体问题的最小空间尺度远远大于分子平均运动自由程（标准状况下空气的平均分子自由程在十分之一微米的量级，具体值可以参考分子运动理论），这在大多数宏观情况下都是成立的，也是NS方程能够广泛采用的基础，即使在湍流中，也是成立的，因此才保证NS方程也适用于描述湍流。 有些情况下连续介质假设不成立，存在哪些情况第一种是空间尺度特别小，例如热线风速仪的金属丝，直径通常在1~5微米量级，最小流体微团已经接近分子平均运动自由程，连续介质假设不能直接使用，类似情况还包括激波，激波面受到压缩，其尺度也较小，为几个分子平均自由程量级，不过采用连续介质假设进行激波内流场计算时，计算结果仍然可以得到比较合理，并且与实际情况相符，这也给激波问题的研究和解决带来了基础性的保证；第二种是分子平均运动自由程特别大，分子平均运动自由程是指两个分子之间碰撞距离的平均值，这个结果与分子有效直径，分子运动速度等相关，宏观上来讲，温度越高、压力越大，分子平均运动自由程越大，而在高空情况下，压力非常低，自由程可能很大，并且大到与飞行器尺度相近，于是连续介质假设失效，此时必须考虑稀薄气体效应。在层流边界层情况下，分子平均运动自由程与边界层之间存在近似关系： 从这个关系中，可以发现，当马赫数非常大但是同时雷诺数非常小的时候，流场微小尺度才可能达到分子平均运动自由程lmd的程度。可以想象一下，在大多数我们能观察到的情况下，上述公式的结果都是非常小的，满足连续介质假设，这个公式不成立的情况在大气层外边缘，此时大气分子之间平均动量交换降低，导致粘性变得非常小，雷诺数很高，因此公式计算结果急剧降低，导致连续介质假设失效。