等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9

IntroductiontoPlasmaPhysics等離子體物理學(xué)導(dǎo)論主講:陳耀第9講山東大學(xué)威?？臻g天氣物理與探測(cè)研究中心2009.3–2009.6等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9流體力學(xué)簡(jiǎn)介第一節(jié):引言第二節(jié):基本定義概念與流體的基本特性第三節(jié):描述流體數(shù)學(xué)方法第四節(jié):流體力學(xué)基本方程組等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9第一節(jié)引言等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9定義:受任何微小剪切力作用都能連續(xù)變形的物體.通俗地說(shuō)就是易流動(dòng)的物體.它分兩種:液體是指有自由表面的流體,而氣體是指沒(méi)有自由表面,可以充滿容納它的整個(gè)空間的流體.

流體與固體不同:固體受到切應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生形變,粒子之間具有固定的相對(duì)位置,并滿足應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系.

但流體受到切應(yīng)力即開(kāi)始流動(dòng).且流體組元間的相對(duì)位置不固定.沙子不是流體的原因:沙子雖然有一定的流動(dòng)性,但那是因?yàn)樯沉ｉg不易支撐,如果選取很小的一部分出來(lái),例如選一粒沙,它是固體,不會(huì)流動(dòng).而流體要求不論選取多小的一點(diǎn)出來(lái)都有流動(dòng)性.第二節(jié)基本定義概念與流體的基本特性等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9流體力學(xué)研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律,流體力學(xué)三要素:流體運(yùn)動(dòng)和力應(yīng)用三大定律建立流體力學(xué)基本方程組:質(zhì)量守恒動(dòng)量守恒(牛二)能量守恒（熱力學(xué)第一定律）流體的數(shù)學(xué)模型：(取微觀上充分大、宏觀上充分小的流體元，稱為流體質(zhì)點(diǎn)；將流體運(yùn)動(dòng)的空間看作是流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)無(wú)空隙地充滿著的假設(shè)稱為連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。)流體元內(nèi)部粒子的平均物理性質(zhì)不受單個(gè)分子離散運(yùn)動(dòng)的影響，即微觀運(yùn)動(dòng)被完全平滑掉得到平滑的宏觀參數(shù)，密度速度溫度等等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9流體的三大特性:易變形性粘性可壓縮性流體的易變形性：流體不能抵抗任何剪切力作用下的變形趨勢(shì)易變形性是流體區(qū)別于固體的基本特征由于流體非常容易變形，內(nèi)部常具非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如渦漩湍流等;高爾夫球與汽車受到的阻力,機(jī)翼升力都與其尾部形成的渦流有關(guān).流體的粘性：流體的流動(dòng)并不是無(wú)限制的，限制性因素就是流體的粘性。牛頓最早提出概念，認(rèn)為流體內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)存在內(nèi)摩擦，該力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比。流體粘性是兩層流體間分子內(nèi)聚力和分子動(dòng)量交換的宏觀表現(xiàn)（動(dòng)量變化=力）流體的可壓縮性:壓強(qiáng)的變化引起流體體積和密度變化的特性，稱為流體的可壓縮性；顯然，氣體的可壓縮性非常大。流體的可壓縮性決定了流體中聲波的傳播速度，可壓縮性越強(qiáng)，聲速越小。等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9氣體與液體的粘性的主要物理機(jī)制完全不同液體：分子內(nèi)聚力(表面張力）氣體：分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9Q：課堂思考：隨著溫度的升高,氣體與液體的粘性會(huì)分別有何變化?等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9拉格朗日法,又稱隨體法,跟隨某質(zhì)點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng):質(zhì)點(diǎn)軌跡的概念描述:質(zhì)點(diǎn)初始坐標(biāo)a,b,c，以此為記號(hào),r=r(a,b,c,t)需考慮單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，較復(fù)雜，只能描述有限質(zhì)點(diǎn)情況歐拉法,又稱當(dāng)?shù)胤?給出在空間中各點(diǎn)上的物理參數(shù),是空間坐標(biāo)參數(shù)分布的概念用速度的全空間分布即速度場(chǎng)u=u(x,y,z,t)表示，方便直接根據(jù)速度分布，可以求出軌跡來(lái)。第三節(jié)描述流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方法等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9拉格朗日法:質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的矢徑表示歐拉法:速度場(chǎng)即速度的空間分布兩種表示方法的相互轉(zhuǎn)換：拉格朗日法歐拉法歐拉法拉格朗日法等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9流體質(zhì)點(diǎn)的隨體導(dǎo)數(shù)及其歐拉表示流體質(zhì)點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)(隨體導(dǎo)數(shù))是質(zhì)點(diǎn)物理量在運(yùn)動(dòng)中隨時(shí)間的變化率等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9將拉格朗日描述中的隨體導(dǎo)數(shù)用歐拉變數(shù)表示，是流體力學(xué)中非常重要的基本思想隨體導(dǎo)數(shù)（絕對(duì)微商）=當(dāng)?shù)刈兓?局地微商)：在固定點(diǎn)處的時(shí)間變化引起的場(chǎng)的變化

+遷移變化率：固定時(shí)刻，空間位置變化引起的物理量變化等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9Q：課堂思考:說(shuō)明下列表達(dá)式的物理意義?流體速度的隨體導(dǎo)數(shù)為流體質(zhì)點(diǎn)的加速度，分成兩部分，一部分源自速度場(chǎng)本身的不定常性，一部分來(lái)自質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)造成的空間位置的變化所引起的速度的變化。密度雷同。等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9第四節(jié)流體力學(xué)基本方程組1.流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程另一種推導(dǎo)方法：流體元中的總質(zhì)量守恒，可得出：相對(duì)密度變化率等于負(fù)的相對(duì)體積膨脹率。直接從體積分和速度體積元dxdydz中的粒子數(shù)密度的時(shí)間變化率等于流出體積元各截面的凈流入量，速度散度的物理意義？給出流體的不可壓條件，不可壓是不是代表密度=常數(shù)（即不可壓均質(zhì)流體，密度不隨時(shí)間與空間變化）？等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L92.流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量守恒方程作用于流體元上的力可分為體積力和面積力體積力是作用于所有質(zhì)點(diǎn)上的力,如重力、電磁力和慣性力；表面力是只作用力所分出的流體側(cè)面的力，如流體壓力，內(nèi)摩擦力等，作用在單位面積上的表面力稱為應(yīng)力。注意由于表面應(yīng)力通過(guò)接觸面起作用的。任意流體元接觸面可有任意法向，在每個(gè)方向均可受到一不確定方向的矢量應(yīng)力。顯然，為了描述應(yīng)力狀態(tài)，僅使用矢量是不夠的，而必須使用。。。。。。等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9圖中，截面dA受到的應(yīng)力記為：法向正應(yīng)力+其它兩個(gè)側(cè)面上受到的切應(yīng)力應(yīng)力張量：與表面法向單位矢量的內(nèi)積可得到該流體元在表面處受到的應(yīng)力等離子體物理學(xué)導(dǎo)論L9X方向正應(yīng)力XZ面