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连续性方程在直角坐标系中的应用

【摘要】:欧拉连续性方程是欧拉在1755年建立的。按欧拉方法,如图1.12所示,首先选取控制体元——固定在空间上的一个确定的、形状任意的封闭体积,位置保持不变。控制体元可以非常小,如小到前文所述的特征体元;或者有限大,这需要根据研究问题所确定。控制体元的形状不会影响所得到的方程。ρv也称质量速度,它是单位时间内通过单位面积的流体质量。

欧拉连续性方程是欧拉在1755年建立的。按欧拉方法,如图1.12所示,首先选取控制体元——固定在空间上的一个确定的、形状任意的封闭体积,位置保持不变。控制体元可以非常小,如小到前文所述的特征体元;或者有限大,这需要根据研究问题所确定。控制体元的形状不会影响所得到的方程。对于取定的控制体元,在不考虑流体的注入或渗失情形下,给定时间段内质量守恒定律的文字表达式为

图1.12 控制体元

图1.13 直角坐标控制体元

在水平、均匀介质中,取一个长方体为控制单元,见图1.13,体元边长分别为Δx、Δy、Δz,不可压缩流体密度为ρ,流体在x、y、z方向上的流速(流速的投影)为vx、vy、vz。若仅存在沿x方向的流动,在Δt时间段内流体流入单元体的流体质量

流出单元体的流体质量

在Δt时段内单元体内流体质量增量为

对于不可压缩流体,密度不随时间变化,联立式(1.75)、式(1.76)和式(1.77),有

两边同时除以(ΔxΔyΔzΔt)再取极限,根据微分的定义可以得到一维渗流连续性方程

若考虑三维流动,结果必然有

式(1.80)的左边是流体单位体积扩张速度,即流速散度。ρv也称质量速度,它是单位时间内通过单位面积的流体质量。