速度势

更新时间:2024-10-20 11:21

流体力学中同无旋运动相联系的一个标量函数

名词解释

速度势是流体力学中同无旋运动相联系的一个标量函数。设v为速度矢量,则满足v=▽Φ的函数Φ称为速度势。存在速度势的流体运动一定是无旋的,因为▽×v=▽×(▽Φ)=0;反过来,如果运动是无旋的,即▽×v=0,则根据无旋场一定是位势场的性质,有v=▽Φ(见开尔文定理)。速度势具有下列性质:①Φ可加上任一常数而不影响对流动性质的描述;②满足Φ为常数的曲面称为等势面,速度矢量同等势面垂直;③在单连通区域中,速度势函数是单值函数;在多连通区域内,速度势函数一般是多值函数。

若流体不可压缩,则▽·v=0。将v=▽Φ代入,便可知Φ满足拉普拉斯方程,即▽2Φ=0。根据调和函数的性质,速度势函数在流体内部不能达到极大值和极小值。

如果Φ在有界单连通区域内满足拉普拉斯方程,则在以下三种情形中,Φ是唯一确定的:①在边界上给定Φ的法向导数 ;②在边界上给定Φ;③在一部分边界上给定,在另一部分边界上给定Φ。如果Φ在双连通有界区域内满足拉普拉斯方程,则在①、②、③类边界条件下,如果还给定速度环量Γ,则Φ是唯一确定的。在无界区域中,除了上述有界区域所要求的条件外,还须加上给定流量Q这一条件才能保证解是唯一的。

计算

对于无粘性可压缩流体,在定常运动的情况下,速度势函数在直角坐标系中满足下列方程:

式中c为声速;Φ的下标表示对坐标的偏导数。

速度势函数只在无粘性流体的无旋运动中采用,它用一个标量函数代替速度的三个分量从而使数学处理简化。粘性流体运动除极个别的情形外都是有旋的,因此不存在速度势。

参考文献

1.词条作者:吴望一《中国大百科全书》74卷(第二版)物理学词条:流体力学:中国大百科全书出版社,2009-07:462-463页.

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