族谱网 头条 人物百科

欧拉方程

2020-10-16
出处:族谱网
作者:阿族小谱
浏览:715
转发:0
评论:0
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》(Principesgénérauxdumouvementdesfluides),发表于1757年,刊载于《

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. 


免责声明:以上内容版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。感谢每一位辛勤著写的作者,感谢每一位的分享。

——— 没有了 ———
编辑:阿族小谱
发表评论
写好了,提交
{{item.label}}
{{commentTotal}}条评论
{{item.userName}}
发布时间:{{item.time}}
{{item.content}}
回复
举报
点击加载更多
打赏作者
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
— 请选择您要打赏的金额 —
{{item.label}}
{{item.label}}
打赏成功!
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
返回

更多文章

更多精彩文章
打赏
私信

推荐阅读

· 欧拉﹣伯努力栋梁方程
历史普遍认为,伽利略是提出关于梁的重要理论的第一人,但是近代史家发现,达芬奇才是第一位研究梁的科学家。但是由于当时缺乏建材弹性的研究和数学基础(主要是微积分),导致伽利略等的科学家没有成功取得突破。1750年,瑞士学者莱昂哈德·欧拉(LeonhardEuler)与丹尼尔·伯努利(DanielBernoulli)开始研究梁并把梁理论推向实用,成功地把科学与工程学区分成两个学科,同时使得工程学成为了一门数理科学。欧拉-伯努力梁方程欧拉─伯努利梁方程内容描述了梁的位移与载重的关系:而其中:u{\displaystyle\textstyle{u}\,}为位移∂∂-->u∂∂-->x{\displaystyle\textstyle{\frac{\partialu}{\partialx}}\,}为梁的斜率,−−-->EI∂∂-->2u∂∂-->x2{\displaystyle\textstyle{-E...
· 欧拉-拉格朗日方程
第一方程设f=f(x,y,z){\displaystylef=f(x,\y,\z)},以及fy,fz{\displaystylef_{y},\f_{z}}在[a,b]××-->R2{\displaystyle[a,\b]\times\mathbb{R}^{2}}中连续,并设泛函若y∈∈-->C1[a,b]{\displaystyley\inC^{1}[a,\b]}使得泛函J(y){\displaystyleJ(y)}取得局部平稳值,则对于所有的x∈∈-->(a,b){\displaystylex\in(a,\b)},推广到多维的情况,记若y→→-->′(x)∈∈-->(C1[a,b])n{\displaystyle{\vec{y}}"(x)\in(C^{1}[a,b])^{n}}使得泛函J(y→→-->)=∫∫-->...
· 欧拉公式
形式对于任意实数x{\displaystylex\,},以下恒真:由此也可以推导出sin⁡⁡-->x=eix−−-->e−−-->ix2i{\displaystyle\sinx={\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i}}}及cos⁡⁡-->x=eix+e−−-->ix2{\displaystyle\cosx={\frac{e^{ix}+e^{-ix}}{2}}}。当x=ππ-->{\displa欧拉tylex=\pi\,}时,欧拉公式的特殊形式为eiππ-->+1=0{\displaystyle欧拉恒等式\pi}+1=0\,}。(参见欧拉恒等式)cis函数在复分析领域,欧拉公式亦可以以函数的形式表示并且一般定义域为θθ-->∈∈-->R{\displaystyle\theta\in\mathbb{R}\,},值域为θθ--&...
· 欧拉乘积
定义假设a{\displaystylea}为一积性函数,则狄利克雷级数等于欧拉乘积其中,乘积对所有素数p{\displaystylep}进行,P(p,s){\displaystyleP(p,s)}则可表示为这可以看作形式母函数,形式欧拉乘积展开的存在性与a(n){\displaystylea(n)}为积性函数两者互为充要条件。a(n){\displaystylea(n)}为完全积性函数时可得到一重要的特例。此时P(p,s){\displaystyleP(p,s)}为等比级数,有当a(n)=1{\displaystylea(n)=1}时即为黎曼ζ函数,更一般的情形则是狄利克雷特征。参考文献G.Polya,InductionandAnalogyinMathematicsVolume1PrincetonUniversityPress(1954)L.C.Card53-6388(Averyacces...
· 妮欧塔·乌乎拉
星际舰队军旅生涯乌乎拉在2266年加入星舰进取号,成为航员组的一员。一开始是以上尉的军衔担任柯克舰长手下的总通讯官。在进取号的五年任务里,她一直坚守这个岗位。在2271年星舰重新整修之后,她以少校的军衔重新回到进取号,在威拉德·戴克(WillardDecker)手下工作。之后在同一年发生的维杰(V"ger)危机时又再度回到柯克(当时是上将)手下工作。在2284年的时候,进取号被指派做为军校生训练之用,乌乎拉也调到星舰总部通讯部,并且也在星舰学院授课。在试图营救史波克的行动中,她扮演一个帮助很大的角色。她从老城太空站的传送室将柯克及他的航员非法传送到进取号,让他们得以窃取它以进行这个未经许可的任务。在进取号自爆之后,乌乎拉和其他的航员共同劫持一架克林贡猎禽舰以进行一项拯救地球的任务。他们必须回到20世纪寻找一种未来已经绝迹的鲸鱼(参见《抢救未来》)。她和切科夫成功地从美国航空母舰勇往号的核子...

关于我们

关注族谱网 微信公众号,每日及时查看相关推荐,订阅互动等。

APP下载

下载族谱APP 微信公众号,每日及时查看
扫一扫添加客服微信