欧拉方程
历史
第一份印有欧拉方程的出版物是欧拉的论文《流体运动的一般原理》(Principes généraux du mouvement des fluides),发表于1757年,刊载于《柏林科学院论文集》(Mémoires de l"Academie des Sciences de Berlin)。它们是最早被写下来的一批偏微分方程。在欧拉发表他的研究之时,方程组只有动量方程及连续性方程,因此只能完整描述非压缩性流体;在描述可压缩性流体时,会因条件不足而不能提供唯一解。在1816年,皮埃尔-西蒙·拉普拉斯添加了一条方程,第三条方程后来被称为绝热条件。
在十九世纪的后半期,科学家们发现,与能量守恒相关的方程在任何时间都得被遵守,而绝热条件则只会在有平滑解的情况下会被遵守,因为该条件是由平滑解时的基础定律所造成的后果。在发现了狭义相对论之后,能量密度、质量密度及应力这三个概念,被统一成应力-能量张量这一个概念;而能量及动量也同样被统一成一个概念——能量-动量张量。
守恒形式(分量)
以下是用微分形式写成的欧拉方程:
其中
ρ为流体的质量密度;
u 为流体速度矢量,分量为u、v及w;
E = ρ e + ½ ρ ( u + v + w )为每一单位容量所含的总能量,其中e为流体每一单位容量所含的内能;
p为压力;
⊗ ⊗ -->{\displaystyle \otimes }代表张量积。
第二条方程包含了一并矢积的散度,用下标标记(每一个j代表从1至3)表示会较易明白:
其中i及j下标各代表直角坐标系的三个分量:( x1 , x2 , x3 ) = ( x , y , z )及( u1 , u2 , u3 ) = ( u , v , w )。
注意以上方程是用守恒形式的,而守恒形式强调的是方程的物理起因(因此在计算流体力学中的电脑模拟上使用这种形式最方便)。而代表动量守恒的第二条方程可用非守恒形式表示:
但是在这个形式上,会比较看不出欧拉方程与牛顿第二运动定律的直接关联。
守恒形式(矢量)
以下是用矢量及守恒形式写成的欧拉方程:
其中
在这个形式下,不难看出fx、fy及fz是通量。
以上方程分别代表质量守恒、动量的三个分量及能量。里面有五条方程,六个未知数。封闭系统需要一条状态方程;最常用的是理想气体定律(即p = ρ (γ−1) e,其中ρ为密度,γ为绝热指数,e为内能)。
注意能量方程的奇特形式;见蓝金-雨果尼厄方程。附加含p的项可被诠释成相邻的流体元对某流体元所作的机械功。在非压缩性流体中,这些附加项的总和为零。
取流线上欧拉方程的积分,假设密度不变,及状态方程具有足够的刚性,可得有名的伯努利定律。
非守恒形式(通量雅可比矩阵)
在构建数值解,例如求雷曼问题的近似解的时候,展开通量可以是很重要的一环。使用上面以矢量表示的守恒形式方程,展开其通量可得非守恒形式如下:
其中Ax、Ay及Az为通量雅可比矩阵,各矩阵为:
上式中这些通量雅可比矩阵Ax、Ay及Az,还是状态矢量m的函数,因此这种形式的欧拉方程跟原方程一样,都是非线性方程。在状态矢量m平滑变动的区间内,这种非守恒形式跟原来守恒形式的欧拉方程是相同的。
理想气体的通量雅可比矩阵
将理想气体定律用作状态方程,可推导出完整的雅可比矩阵形式,矩阵如下:
总焓H为:
及声速a为:
线性化形式
将含通量雅可比矩阵的非守恒形式,在状态m = m0的周围线性化后,可得线性化欧拉方程如下:
其中Ax,0 、Ay,0及Az,0分别为Ax、Ay及Az于某参考状态m = m0的值。
线性化一维的非耦合波方程
如果弃用守恒变量而改用特征变量的话,欧拉方程可被变换成非耦合波方程。举例说,考虑以线性通量雅可比矩阵形式表示的一维(1-D)欧拉方程:
矩阵Ax,0可被对角化,即可将其分解成:
上式中,r1、r2及r3为矩阵Ax,0的右特征矢量(若AxR=λ λ -->RxR, {\displaystyle Ax_{R}=\lambda _{R}x_{R},\ },则x_R为右特征矢量),而λ1、λ2及λ3则为对应的特征值。
设特征变量为:
由于Ax,0不变,原来的一维通量雅可比矩阵方程,乘上P后可得:
经过这样的处理后,方程实际上已经被非耦合化,而且可被视作三条波方程,其中特征值为波速。变量wi为雷曼不变量,或在一般的双曲系统中为特征变量。
冲击波
欧拉方程为非线性双曲方程,而它们的通解为波。与海浪一样,由欧拉方程所描述的波碎掉后,所谓的冲击波就会形成;这是一种非线性效应,所以其解为多值函数(即函数内的某自变量会产生多个因变量)。物理上这代表构建微分方程时所用的假设已经崩溃,如果要从方程上取得更多信息,就必须回到更基础的积分形式。然后,在构建弱解时,需要使用蓝金-雨果尼厄冲击波条件,在流动的物理量中避开不连续点“跳跃”,上述物理量有密度、速度、压力及熵。物理量很少会出现不连续性;在现实的流动中,黏性会把这些不连续点平滑化。
许多领域都有研究冲击波的传播,尤其是出现流动处于足够高速的领域,例如空气动力学及火箭推进。
一维中的方程
在某些问题中,特别是分析导管中的可压缩流,或是当流动呈圆柱或球状对称的时候,一维欧拉方程都是很有用的近似法。一般来说,解欧拉方程会用到黎曼的特征线法。首先需要找出特征线,这条曲线位于两个独立变量(即x及t)所构成的平面上,在这条线上偏微分方程(PDE)会退化成常微分方程(ODE)。欧拉方程的数值解法非常倚赖特征线法。
资料来源及延伸阅读
Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press. 1967. ISBN 0521663962.
Thompson, Philip A. Compressible Fluid Flow. New York: McGraw-Hill. 1972. ISBN 0070644055.
Toro, E.F. Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics. Springer-Verlag. 1999. ISBN 3-540-65966-8.
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