流體力學的一個分支。研究流體運動的幾何性質,而不涉及力的具體作用。流體運動學包括下述內容:

  流動的分析描述 在流體力學中描寫運動的方法有兩種,即拉格朗日方法和歐拉方法。拉格朗日方法著眼於流體質點(見連續介質假設),設法描述每個流體質點的位置隨時間變化的規律。通常利用初始時刻流體質點的直角坐標或曲線座標abc作為區分不同流體質點的標志。流體質點運動規律可表示成方程(1)的形式:

        

rr(abct),     (1)

其中 r是流體質點的矢徑; t為時間;變數 abct統稱為拉格朗日變數。對時間 t求式(1)的一次偏導數和二次偏導數,可分別得到流體質點的速度矢量和加速度矢量。歐拉方法著眼於空間點,設法在空間的每一點上描述出流體運動隨時間的變化狀況。通常用速度矢量 表示流體運動。於是歐拉方法中流體質點的運動規律可表為下式:

( rt),        (2)

變數 rt稱為歐拉變數。式(2)確定的速度函數是定義在時間 t和空間點上的,所以它是場。由式(2),可按下式求出加速度(見 隨體導數):

雖然拉格朗日方法和歐拉方法都能描述流體的運動,但在流體力學中,人們廣泛采用歐拉方法,較少采用拉格朗日方法,這是因為用歐拉變數得到的是場,可以運用研究得很充分的場論知識;而在拉格朗日方法中,由於式(1)不是場,所以無此優點。其次,在歐拉方法中,由於加速度是一階導數,所以運動方程組是一階偏微分方程組,它比拉格朗日方法中的二階偏微分方程組容易處理。

  流動的幾何描述 在拉格朗日方法中,流體質點運動規律的幾何表示是跡線。在歐拉方法中,則利用流線幾何地描述流體的運動。在非定常運動中,流線和跡線一般是不重合的;而在定常運動中,兩者必然重合(見流線)。

  流動的分析 流體運動要比剛體運動復雜,因為它除瞭平動和轉動外,還要發生變形。流體微團運動分析的主要內容包含在亥姆霍茲速度分解定理中。

  流動的分類 以運動形式為標準,流體運動可分為無旋運動和有旋運動。若在整個流場中▽×

=0,則稱此運動為無旋運動,反之稱為有旋運動。以時間為標準,流體運動可分為定常運動和非定常運動。若所有物理量皆不依賴於時間 t,則稱此運動為定常運動,反之稱為非定常運動。以空間為標準,根據有關物理量依賴於一個曲線坐標、二個曲線坐標和三個曲線坐標,流體運動可分為一維運動、二維運動和三維運動。平面運動和軸對稱運動是二維運動的兩個重要例子。在直角坐標系 Oxyz中,滿足 w=0, 的流動稱為平面運動,其中 w是速度矢量在 z軸的分量。在柱坐標系( rφz)中滿足 =0, ,或球坐標系( rφθ)中滿足 =0, 的流動稱為軸對稱運動,其中 是速度矢量在 φ軸的分量。

  渦旋的運動學性質 渦管的運動學性質為:渦通量在渦管所有橫截面上都等於同一常數,稱之為渦管的強度。渦管不能在流體內產生或終止,如果它不以渦環的形式存在,就隻能延伸到邊界上。

  區域中有渦和源的分佈,就會誘導出速度場。知道渦旋場和散度場求速度場的問題歸結為解方程(3):

,      (3)

式中和Ω是區域τ內給定的源和渦的強度分佈函數。其解為:

式中 ξηζ是變動點坐標。

  連續性方程和流函數 連續性方程是質量守恒定律的數學表達式,它的一般形式為(見流體力學基本方程組):

或      

對於定常運動和不可壓縮流體,連續性方程可簡化為:

式中 ν=0和 ν=1分別對應不可壓縮流體和定常運動。對於平面和軸對稱運動,由連續性方程推出,存在著 流函數 Ψ,使

,   (平面運動)

,   (軸對稱運動)

式中 uvv zvr分別是速度矢量在直角坐標( xyz)和柱坐標( rφz)中的分量。

  無旋運動和速度勢 根據運動的無旋性▽×

0推出存在著速度勢ф,使 =▽ф。在不可壓縮流體情形,速度勢滿足拉普拉斯方程(見 拉普拉斯無旋運動, 速度勢)。

  

參考書目

 G.K.Batchelor,An Introduction to Fluid Dynamics,Cambridge Univ.Press,Cambridge,1970.