大气湍流与大气扩散课件:第1-2章.ppt

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? 梯度、散度、旋度 梯度 gradient --场的空间变化率   设体系中某处的物理参数(如温度、速度、浓度等)为w,在与其垂直距离的dy处该参数为w+dw,则称为该物理参数的梯度,也即该物理参数的变化率。如果参数为速度、浓度或温度,则分别称为速度梯度、浓度梯度或温度梯度。   在向量微积分中,标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点上的梯度指向标量场增长最快的方向,梯度的长度是这个最大的变化率。 散度 divergence--流体运动时单位体积的改变率 散度指流体运动时单位体积的改变率。简单地说,流体在运动中集中的区域为辐合,运动中发散的区域为辐散。用以表示的量称为散度,值为负时为辐合,此时有利于天气系统的的发展和增强,为正时表示辐散,有利于天气系统的消散。表示辐合、辐散的物理量为散度。 散度的重要性在于,可用表征空间各点矢量场发散的强弱程度。 旋度 rotation,curl--曲线、流体等旋转程度的量 旋度是表示曲线、流体等旋转程度的量。设想将闭合曲线缩小到其内某一点附近,那么以闭合曲线L为界的面积逐渐缩小,也将逐渐减小,一般说来,这两者的比值有一极限值,记作即单位面积平均环流的极限。它与闭合曲线的形状无关,但显然依赖于以闭合曲线为界的面积法线方向且通常L的正方向与规定要构成右手螺旋法则。 旋度的重要性在于,可用以表征矢量在某点附近各方向上环流强弱的程度。 梯度是个向量 ????????????????????????????????? 或表示为 ???????????????????????????? 散度是个标量 设有一个向量场 ??????????????????????????????????????????????????????????????? 通量可写为 ??????????????? 则散度 ????????????????????????????????????? 并有运算关系式 ?????????????????????????????????????????????????? 旋度是个向量 rotA或curlA ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 或可以写成 ???????????????????? ?????????????????????????? 例如求F沿路径r做的功 ?????????????????????????????????????????????????????? ????????????????????????????????????????????? ??????????????????????????????????????????? 矢量的环流:矢量沿闭合回路的线积分称为环流. 哈密顿算符? ,只是个符号, 直接作用函数表示梯度, ?dotA点乘函数(矢量)表示散度, ?XA叉乘函数(矢量)表旋度。   在粘性流体运动中,由于存在切向力,过任意一点单位面积上的表面力就不一定垂直于作用面,且各个方向的大小也不一定相等。因此,作用于任意方向微元面积上合应力可分解为法向应力和切向应力。如果作用面的法线方向与坐标轴重合,则合应力可分解为三个分量,其中垂直于作用面的为法应力,另外两个与作用面相切为切应力,分别平行于另外两个坐标轴,为切应力在坐标轴向的投影分量。   用两个下标可把各个应力分量的作用面方位和投影方向表示清楚。其中第一个下标表示作用面的法线方向,第二个下标表示应力分量的投影方向。    根据剪力互等定理,在这九分量中,只有六个是独立的,其中三法向应力和三个切向应力。这个应力矩阵如同变形率矩阵一样,是个对称矩阵。    如果在同一点上给定三个相互垂直坐标面上的应力,那么过该点任意方向作用面上的应力可通过坐标变换唯一确定。因此,我们把三个坐标面上的九个应力分量称为该点的应力状态,由这九个应力分量组成的矩阵称为应力矩阵(或应力张量)。  在理想流体中,不存在切应力,三个法向应力相等,等于该点压强的负值。即:   在粘性流体中,任意一点的任何三个相互垂直面上的法向应力之和一个不变量,并定义此不变量的平均值为该

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