流函数势函数(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chen Haishan,NIM NUIST,第六节 速度势函数和流函数,速度势函数,速度流函数,二维流动的表示,1,一、速度势函数,定义（速度势函数的引入及存在条件）,流体运动,无旋流动,涡旋流动,否则，则称之为,涡旋流动：,如果在流体域内涡度为零，即,:,无旋流动,；,2,据矢量分析知识，任意一函数的梯度，取旋度恒等于零：,对于无旋流动，必定存在一个函数 满足如：,或,无旋流动，其速度矢总可以用函数 的梯度来表示，把函数,叫做,速度的（位）势函数,，可以用这个函数来表示无旋流动的流场。,通常将无旋流动称为有势流动或势流。,3,而引进了势函数后：,引入势函数的优点,流速矢描述流体运动 含有三个变量；,需要给定三个变量 刻画流体的运动情况。,只要一个变量（势函数）就可以来描述流体运动，,大大地减少了描写流体运动所需的变量，简化了问题。,4,由流速场与势函数的关系可知：,流速矢与等位势面相垂直，由高位势流向低位势，等位势面紧密处，位势梯度大，相应的流速大；等位势面稀疏处，位势梯度小，相应的流速小。,用势函数来描述流体运动,对于某一固定时刻,=,常数,为一空间曲面，称为等势函数面或者等位势面。,上式取不同常数 不同的等位势面 等位势面族。,5,例,1-6-1,已知流体作无旋运动，对应的等势函数线分布如,图所示（其中，,）的，请判断并在图,中标出,A,、,B,两处流体速度的方向，并比较,A,、,B,两处流速的大小。,6,势函数的求解,假如流体的散度为：,根据势函数的定义有：,其中，为三维拉普拉斯算子。,可以看出，如果给定,D,，通过求解泊松（,Poisson,）方程，即可求得势函数。,7,求解势函数的具体方法（仅考虑二维的情况）：,（,2,）如已知速度场，可以先求出,D,，然后再求解泊松方程，最终得到势函数。,（,1,）如已知,D,，直接求解泊松（,Poisson,）方程，可得势函数。,8,定义及存在条件,二、速度流函数,考虑二维无辐散流动，即满足：,其流线方程为：,无辐散流,辐散流,流体运动,引入流体散度的概念之后，可将流体运动分为：,9,根据格林积分公式（平面曲线积分与路径无关的条件）可知，满足无辐散条件下,:,流速与该函数满足：,矢量形式：,10,积分以上的全微分形式，可以得到：,=,常数,上式所描述的曲线就是流线，当然，它也是函数 的等值线。,将以上引进的函数 称之为流函数，而流线也就是等流函数线。,对某一固定的时刻：一空间曲线流线方程积分曲线。,流速与该函数的关系曲线的切线方向与流速矢的方向是相吻合的。,11,（,2,）表征流体通量,在流体中任取一条有向曲线,A B,，顺着该有向曲线流体自右侧向左侧的通量,Q,：,曲线法向方向的单位矢量定义为：,而：,引入流函数的优点,流速在曲线法向方向上的分量,（,1,）减少表征流动的变量,A,B,12,引用流函数，并考虑：,或,表明,:,经过两点为端点的任何曲线的流体通量，决定于该两点的流函数差，而与曲线的长度和形状无关。,用流函数可以来方便地表征无辐散场的流体通量。,13,同样，求解流函数的方法为：,（,1,）已知涡度，直接求解泊松（,Poisson,）方程；,（,2,）已知速度场，先求出涡度，然后求解泊松方程。,（,3,）表征流体涡度,由涡度的定义 ，可得到用流函数来表,示的涡度表达式：,可见，对流函数取拉普拉斯运算即可得到流体的涡度。,14,三、二维流动,一般二维流动，既不满足无旋条件，也不满足无辐散条件，流动是有旋有辐散的。此时，其涡度和散度均不为零，即满足：,无辐散涡旋流,无旋辐散流,15,上式为大气动力学中广泛采用的形式。,16,习题,1-6-1,已知二维流速场为：,分别求势函数和流函数存在的条件。,习题,1-6-2,请问是否存在既满足无辐散条件又满足无旋条件的流动？如存在，请举例说明。,课 后 习 题,17,习题,1-6-3,请证明无辐散的平面无旋流动：（,1,）流函数和势函数都是调和函数（满足二维拉普拉斯方程,),（,2,）等势函数线和等流函数线正交。,习题,1-6-4,平面流动的流线方程为：；,由流函数全微分 ；,当取 常值时，也可以得到,试问两式是否等价？请说明理由？,18,6,速度势函数和流函数,（概念、理解）,速度势函数的定义、存在条件、表示流体运动的方法；,流函数的定义、存在条件、表示流体运动的方法；,速度势函数、流函数表示二维流动。,本节总结,19,