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空气动力学方程:动量方程与Navier-Stokes方程详解

1空气动力学基础

1.1流体动力学概述

流体动力学是研究流体(液体和气体)在静止和运动状态下的行为的学科。

在空气动力学中,我们主要关注气体的流动,尤其是空气。流体动力学的核心

在于理解流体的运动如何受到压力、速度、温度和密度的影响。这些物理量之

间的关系可以通过一系列的方程来描述,其中最著名的是Navier-Stokes方程。

1.1.1流体的性质

连续性:流体可以被视为连续介质,没有明显的间隙。

可压缩性:气体的密度可以随压力和温度的变化而变化。

粘性:流体内部存在摩擦力,影响流体的流动。

1.1.2流体动力学的分类

理想流体:无粘性、不可压缩的流体,适用于低速流动。

真实流体:考虑粘性和可压缩性的流体,适用于高速流动和复杂

流动情况。

1.2连续性方程解析

连续性方程描述了流体在流动过程中质量的守恒。对于不可压缩流体,连

续性方程可以简化为流体通过任意截面的体积流量保持不变。

1.2.1方程形式

对于一维流动,连续性方程可以写作:

∂∂

+=0

∂∂

其中,是流体的密度,是流体的速度,是时间,是空间坐标。

1.2.2示例

假设我们有一个管道,其中流体的密度和速度随时间变化。我们可以使用

连续性方程来分析流体在管道中的流动情况。

importnumpyasnp

importmatplotlib.pyplotasplt

1

#定义参数

rho=1.225#空气密度,单位:kg/m^3

u=10#流体速度,单位:m/s

t=0.0#初始时间

x=np.linspace(0,10,100)#空间坐标,单位:m

#计算连续性方程的左侧

rho_t=0#假设密度不随时间变化

rho_u_x=rho*u*np.gradient(rho,x)

#绘制结果

plt.figure()

plt.plot(x,rho_u_x,label=∂(ρu)/∂x)

plt.title(连续性方程的左侧)

plt.xlabel(x(m))

plt.ylabel(∂(ρu)/∂x(kg/(m^2·s)))

plt.legend()

plt.show()

∂∂

在这个例子中,我们假设密度不随时间变化,因此=0。我们计算了

∂∂

的值,并将其可视化,以直观地理解连续性方程的含义。

1.3动量守恒原理

动量守恒原理是流体动力学中的另一个基本概念,它描述了流体在流动过

程中动量的守恒。动量守恒原理是Navier-Stokes方程的基础。

1.3.1方程形式

动量守恒方程的一般形式为:

222

∂∂∂∂∂∂∂∂

+++−++

=++

222

∂∂∂∂

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