-
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
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:
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:
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。
- 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.