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位流

鎖定
位流,也叫非旋轉流。在矢量運算中,保守向量場是一個矢量場,它是一些函數的梯度。保守矢量場具有線積分是路徑無關的特點,即兩點之間的任何路徑的選擇不會改變線積分的值。線積分的路徑獨立性相當於保守的向量域。保守的矢量場也是非旋轉的;在三個維度上,這意味着它有消失的曲面域。如果域簡單連接,則非旋轉矢量場必然是保守的。
保守的矢量場自然地出現在力學中:它們是表示能量被保存的物理系統力的矢量場。對於保守的系統,在配置空間中沿着路徑移動的工作僅取決於路徑的端點,因此可以定義獨立於所採取路徑的勢能 [1] 
中文名
位流
外文名
Irrotational flow
別    名
非旋轉流
領    域
空氣動力學
特    點
位流的渦流為0
性    質
矢量

位流非正式表達

圖1 路徑依賴 圖1 路徑依賴
在二維和三維空間中,由於兩點之間有無限多的路徑,除了兩點之間形成的直線之外,兩點之間存在一個整體的模糊性,可以選擇一條彎曲的路徑更長的長度,如圖1所示。因此,一般來説,積分值取決於所採用的路徑。然而,在保守向量場的特殊情況下,積分值與所採用的路徑無關,可以認為是所有元素的大規模消除,這兩個點之間沒有直線上的分量。想象這樣,想象兩個人爬上一個懸崖;一個決定通過垂直向上擴展懸崖,第二個決定沿着長度比懸崖高度長的蜿蜒路徑行走,但與水平方向只有一小角度。雖然兩個徒步旅行者採取不同的路線爬上懸崖頂部,但是在頂部,他們都將獲得相同的重力勢能。這是因為引力場是保守的。作為非保守領域的一個例子,想像一個盒子從一個房間的一端推到另一個。沿着整個房間的直線推動箱子,比圍繞更大距離的曲線路徑顯着減少摩擦力。

位流直觀解釋

M. C. Escher的繪畫升序和降序説明了一個非保守的矢量場,不可思議地看起來是沿着樓梯移動的地面上不同高度的梯度。 這是旋轉的,因為它可以保持越來越高,或者在環繞的同時不斷變低。 這是不保守的,因為可以在上升多於一個下降的同時返回到起點,反之亦然。 在一個真正的樓梯上,地面上方的高度是一個標量勢場:如果一個人返回到同一個地方,一個向上一個向下,一個往下走。 它的梯度將是一個保守的矢量場,是非旋轉的。 繪畫中描繪的情況是不可能的。 [2] 

位流定義

向量域v:U屬於實數域,其中U是全體實數域的開放子集,當且僅當存在C ^ 1,使得:
成立時,可以説v是保守場。其中,
表示
的梯度。 當上述方程式成立時,
被稱為v的標量場。
矢量微積分的基本定理表明,任何矢量場都可以表示為保守矢量場和螺線管場的和。 [3] 

位流位流

流體的流速v是矢量,並且流量的渦流
可以定義為:
渦度的一個常見的替代符號是
如果v是非旋轉的,則由於
,那麼這個流被認為是一個非旋轉的流,即位流。非旋轉流的渦流為零。
開爾文循環定理指出,在非粘性流中是非旋轉的流體將保持不旋轉。該結果可以從通過採用Navier-Stokes方程的捲曲獲得的渦度傳遞方程式得出。
對於二維流動,渦度作為流體元件局部旋轉的量度。請注意,渦度並不意味着流體的全球行為。在直線上行進的流體可能具有渦度,並且可以使在圓圈中移動的流體是不旋轉的。 [4] 
參考資料
  • 1.    Marsden, Jerrold; Tromba, Anthony (2003). Vector calculus (Fifth ed.). W.H.Freedman and Company. pp. 550–561.
  • 2.    Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 7.11, Pitman Publishing Limited, London. ISBN 0-273-01120-0
  • 3.    Acheson, D. J. (2005). Elementary Fluid Dynamics. Oxford University Press. ISBN 0198596790.
  • 4.    Liepmann, H.W.; Roshko, A. (1993) [1957], Elements of Gas Dynamics, Courier Dover Publications, ISBN 0-486-41963-0, pp. 194–196.