控制体积

更新时间:2022-08-25 13:39

控制体积是流体力学热力学中,为一物理现象建立数学模型时会用到的一个名词。在惯性参考系中,控制体积可能是一固定的区域,或者是随着流体运动。控制体积的表面也称为控制表面。

定义

在流体力学中,控制体是指在流体所在的空间中,以假想或真实流体边界包围,固定不动形状任意或可运动、变形的的空间体积。包围这个空间体积的边界面,称为控制面。

在工程热力学中,控制体积又称为开口系统,简称为控制体,它是指有物质流穿过边界的系统,其界面称为控制界面。稳态(steady)时,控制体积可以视为一个其中流体体积为定值的任意空间。流体可能会流进或流出控制体积,但流入控制体积的流体质量等于流出控制体积的流体质量。在稳态且没有功或能量的交换,控制体积内的能量也是一个定值。控制体积的概念类似经典力学的自由体图。

特点

控制体具有以下特点:

(1)控制体的形状与大小不变,并相对于某坐标系固定不动。控制体内的流体质点组成并非不变的。

(2)控制体既可通过控制面与外界有质量和能量交换,也可与控制体外的环境有力的相互作用。

应用

在计算流体力学(CFD)中,对于位置固定的控制体,物理学的基本原理将应用到控制体内的流体上,而对于随流体运动的控制体,还需将物理学基本原理运用于流过控制面的流体。因此,借助于控制体,可将注意力集中在控制体本身这一有限区域内的流体。而物理学基本原理要适用于控制体,得到的流体流动方程将是以积分的形式表达出来的。由于控制体是以空间变量描述,因此,其相应描述方法是欧拉的。

在工程热力学中,可利用控制体建立稳态稳流能量方程式,其在工程上有广泛的应用。比如压气机、动力机、绝热节流等。

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