流体运动的分析描述主要通过两种方法,即拉格朗日方法和欧拉方法。
拉格朗日方法关注的是流体质点,它的核心是描述每个质点的位置随时间如何变化。通过初始时刻的直角坐标或曲线坐标a、b、c,我们能够区分不同的质点。流体质点的运动规律可以用r=r(a, b, c, t)表达,其中r是质点的矢量,t是时间,a、b、c、t合称为拉格朗日变量。具体来说,对于某一固定质点,如果起始点a、b、c为常数,那么x、y、z仅随时间t变化,这是质点的运动轨迹。反之,如果t为常数,x、y、z随起始点变化,则代表同一时刻流体的整体分布。而当起始点和时间都作为变数时,我们能得到任意质点的运动轨迹。
要计算流体中某质点的速度u,只需将起始坐标视为常数,对r关于时间的一阶和二阶偏导数进行计算,就能得到速度和加速度的表达。
另一种方法是欧拉方法,它关注的是空间点上的流体运动。这里,我们用速度矢量v=v(r, t)来描述,其中r和t是欧拉变量。欧拉方法更受欢迎,因为它能给出速度场,即流场,通过场论求解,且运动方程组是一阶偏微分方程,相对于拉格朗日方法的二阶方程更易于处理。在直角坐标系中,流速场可以用u=u(x, y, z, t)的形式来表示,它展示了速度向量如何随空间位置(x, y, z)和时间t变化。
扩展资料
流体运动学,fluid kinematics,研究流体运动的几何性质,而不涉及力的具体作用的流体力学分支。