| Cơ học môi trường liên tục | ||||||
|
||||||
Nguyên lý Bernoulli
|
||||||
Phương trình Navier-Stokes, được đặt tên theo Claude-Louis Navier và George Gabriel Stokes, miêu tả dòng chảy của các chất lỏng và khí (gọi chung là chất lưu). Những phương trình này thiết lập trên cơ sở biến thiên động lượng trong những thể tích vô cùng nhỏ của chất lưu đơn thuần chỉ là tổng của các lực nhớt tiêu tán (tương tự như ma sát), biến đổi áp suất, trọng lực, và các lực khác tác động lên chất lưu – một ứng dụng của định luật 2 của Newton.
Nội dung bài viết
Mục lục
- 1
Thiết lập phương trình
- 2 Dòng chảy không nén được của những chất lưu có tính Newton
- 3 Xem thêm
- 4 Tham khảo
- 5 Liên kết ngoài
Thiết lập phương trình
[sửa|sửa mã nguồn]
Phương trình Navier-Stokes được kiến thiết xây dựng từ sự bảo toàn của khối lượng, động lượng, và nguồn năng lượng được viết cho một thể tích đang xem xét bất kể. Dạng tổng quát nhất của hệ phương trình Navier-Stokes là :
-
ρ
(
∂
v
∂
t+
v
⋅
∇v
)
=
−
∇
p
+
∇
⋅T
+
f
{displaystyle rho left({frac {partial mathbf {v} }{partial t}}+mathbf {v} cdot nabla mathbf {v} right)=-nabla p+nabla cdot mathbb {T} +mathbf {f} }
Đây chỉ là định luật bảo toàn động lượng trong một chất lưu, chỉ là áp dụng định luật 2 của Newton cho một môi trường liên tục (continuum). Phương trình này thường được viết dưới dạng đạo hàm vật chất (substantive derivative hoặc material derivative), làm rõ đây chỉ là một áp dụng của định luật 2 Newton:
-
ρ
D
v
D
t=
−
∇
p
+
∇
⋅T
+
f
{displaystyle rho {frac {Dmathbf {v} }{Dt}}=-nabla p+nabla cdot mathbb {T} +mathbf {f} }
Vế phải của phương trình này là tổng của những lực ảnh hưởng tác động lên vật thể .
∇
p
{displaystyle nabla p}
∇
⋅
T
{displaystyle nabla cdot mathbb {T} }
f
{displaystyle mathbf {f} }
Độ căng của sự biến dạng
∇
⋅
T
{displaystyle nabla cdot mathbb {T} }
thường chứa nhiều ẩn số, thế cho nên dạng tổng quát đó không hề vận dụng trực tiếp được cho bất kể bài toán nào. Vì vậy, những giả thiết về những hành vi biến dạng của một chất lỏng được đưa ra ( dựa trên những quan sát trong tự nhiên ) và giản hóa đại lượng này về những biến quen thuộc khác, ví dụ như tốc độ. Ví dụ, đại lượng này thường rút về
μ
∇
2
v
{displaystyle mu nabla ^{2}mathbf {v} }
Phương trình Navier-Stokes chỉ là một phát biểu của định luật bảo toàn động lượng. Để miêu tả tổng lực dòng chảy, cần phải có nhiều thông tin hơn ( nhờ vào vào những giả thiết đưa ra ), gồm có bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguồn năng lượng, hay là một phương trình trạng thái .
Bất kể những giả thiết về những chất lưu như thế nào, một phát biểu của bảo toàn khối lượng là gần như thiết yếu. Điều này đạt được trình diễn bởi phương trình liên tục, với dạng tổng quát nhất là :
-
∂
ρ∂
t+
∇
⋅
(
ρv
)
={displaystyle {frac {partial rho }{partial t}}+nabla cdot (rho mathbf {v} )=0}
Dòng chảy không nén được của những chất lưu có tính Newton
[sửa|sửa mã nguồn]
Đa số những khu công trình nghiên cứu và điều tra về phương trình Navier-Stokes được thực thi dưới một giả thiết về một dòng chảy không nén được cho những chất lưu Newton. Giả thiết về dòng không nén được thường vẫn đúng khi xét đến những dòng chảy “ nén được ”, ví dụ như thể không khí ở nhiệt độ trong phòng ( ngay cả khi dòng chảy lên đến vận tốc Mach 0.3 ). Nếu như xét thêm đến giả thiết về tính không nén được và giả sự độ nhớt của chất lỏng là hằng số, hệ phương trình Navier-Stokes sẽ được viết như sau ( theo dạng vectơ ) :
-
ρ
(
∂
v
∂
t+
v
⋅
∇v
)
=
−
∇
p
+
μ∇
2
v
+
F
{displaystyle rho left({frac {partial mathbf {v} }{partial t}}+mathbf {v} cdot nabla mathbf {v} right)=-nabla p+mu nabla ^{2}mathbf {v} +mathbf {F} }
f đại diện cho các lực “khác” trên từng đơn vị thể tích, như là trọng lực hay là lực ly tâm. Nếu quan sát ý nghĩa của từng hạng tử trong công thức:
-
ρ
(
∂
v
∂
t⏟
Gia tốc
tức thời
+
v
⋅
∇v
⏟
Gia tốc
đối lưu
)
⏞
Quán tính
=
−
∇
p⏟
Gradient
áp suất
+
μ
∇
2
v
⏟
độ nhớt
+
f
⏟
lực
khác
{displaystyle overbrace {rho {Big (}underbrace {frac {partial mathbf {v} }{partial t}} _{begin{smallmatrix}{text{Gia tốc}}\{text{tức thời}}end{smallmatrix}}+underbrace {mathbf {v} cdot nabla mathbf {v} } _{begin{smallmatrix}{text{Gia tốc}}\{text{đối lưu}}end{smallmatrix}}{Big )}} ^{text{Quán tính}}=underbrace {-nabla p} _{begin{smallmatrix}{text{Gradient}}\{text{áp suất}}end{smallmatrix}}+underbrace {mu nabla ^{2}mathbf {v} } _{text{độ nhớt}}+underbrace {mathbf {f} } _{begin{smallmatrix}{text{lực}}\{text{khác}}end{smallmatrix}}}
có thể nhận thấy rằng chỉ có các hạng tử đối lưu là phi tuyến cho các chất lưu Newton không nén được. Gia tốc đối lưu chỉ là một gia tốc gây ra bởi một thay đổi (có thể là đều) trong vận tốc so với vị trí, ví dụ như là gia tốc của dòng chảy khi đi qua một ống phụt (nozzle) hội tụ. Mặc dù từng phần tử riêng rẽ của dòng chảy đã được gia tốc nhưng trường của dòng chảy (sự phân bố của vận tốc) không cần phải phụ thuộc vào thời gian.
Một quan sát quan trọng khác là độ nhớt được đại diện bằng toán tử Laplace của trường vectơ vận tốc. Từ điều này có thể suy ra rằng độ nhớt mang tính Newton là sự tiêu tán động lượng, cũng giống như là sự tiêu tán của nhiệt được thấy trong phương trình nhiệt (liên quan đến toán tử Laplace).
Nếu ảnh hưởng tác động của nhiệt độ không đáng kể, thì cần có một phương trình khác là phương trình liên tục. Với giả thiết không nén được, tỷ lệ là hằng số thì phương trình sẽ đơn thuần thành :
-
∇
⋅v
=
{displaystyle nabla cdot mathbf {v} =0}
Đây là một phát biểu đặc biệt quan trọng của định luật bảo toàn khối lượng ( xem toán tử div ) .
Xem thêm
[sửa|sửa mã nguồn]
- Định lý lưu chuyển Reynolds
- Số Reynolds
- Số Mach
- Phương trình Navier-Stokes trung bình theo Reynolds
- Dòng nhiều pha
- Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant
- Tồn tại và sự trơn của nghiệm của phương trình Navier-Stokes
Tham khảo
[sửa|sửa mã nguồn]
- Inge L. Rhyming Dynamique des fluides, 1991 PPUR
- A.D. Polyanin, A.M. Kutepov, A.V. Vyazmin, and D.A. Kazenin, Hydrodynamics, Mass and Heat Transfer in Chemical Engineering, Taylor & Francis, London, 2002. ISBN 0-415-27237-8
Liên kết ngoài
[sửa|sửa mã nguồn]
- Derivation and detailed discussion of Navier-Stokes equation
- Simplified derivation of the Navier-Stokes equations
- QEDen Millennium Prize Problems Wiki
- CFD online software list A compilation of codes, including Navier-Stokes solvers.
Source: https://swing.com.vn
Category: Wiki
