Почему мы можем пренебречь инерционным (но не вязким) термином в Навье-Стоксе при малом расходе и высокой вязкости?
Завершите Навье-Стокса:
Инерционный термин: .
И, как мы предполагаем, стационарный поток и низкая скорость: . Отсюда следует, что инерционный термин можно игнорировать.
Однако в моем материале также указано, что будет доминирующим термином в этих обстоятельствах. Почему это не будет так, что а? ∇ 2 → v → ∂ 2 → v
Ответы:
Обычно под низким расходом и высокой вязкостью подразумевается то, что мы имеем дело с так называемым потоком с низким числом Рейнольдса. Число Рейнольдса - это безразмерное число, представляющее собой отношение сил инерции ( ) и вязкой силы ( ): Для низких доминирующих вязких сил (ламинарный режим) и для высоких доминирующих сил (турбулентных режимов). Безразмерные числа типаρUU μU/L
Технически, говоря «низкий расход и высокая вязкость» недостаточно, чтобы сказать, что мы имеем дело с низким потоком потому что это также зависит от масштаба длины (обычно диаметр трубы и т. Д.) И плотности ( воздуха или воды), но обычно подразумевается, что это так.Re L ρ
Теперь говорим для низкого расхода, что неверно; вы, вероятно, имеете в виду, что . Это оправдывает упрощение уравнений, говоря, что что физически означает, что инерционные члены совершенно незначительны по сравнению с вязкими членами. не подразумевает а низкий расход означает то время как может быть значительным. Рассмотрим оценку по порядку величины∂βuα≈0 uβ∂βuα≪μ∂2βuα uβ∂βuα≈0 uβ∂βuα≈0 ∂βuα≈0 uβ≈0 ∂βuα ∂βuα∼U/L ; для малых значений (способствует снижению ) он может быть намного больше, чем порядок . Аналогичный анализ порядка величин вязких слагаемых показывает, что они будут еще более значительными. Следовательно, причина, по которой инерционные члены незначительны, а вязкие - нет.L Re ∂ 2 β U α ~ U / L 2O(U) ∂2βuα∼U/L2
источник
Поскольку последний член пропорционален , а не, термин может быть большим, даже если величина скорости мала. Рассмотрим простой случай не скользящего ламинарного потока в х-ориентированной трубе. Это однонаправленный поток, поэтому мы можем отбросить и и сосредоточиться на . Будем считать, что скорость потока мала. | → v | v ш ц∇2v⃗ |v⃗ | v w u
Однако то, что обычно маленький, не означает, что мы можем сделать вывод, что также обычно маленький. На самом деле, чем уже труба, тем больше величина . Глядя на поле градиента горизонтальной скорости, мы видим, что оно направлено внутрь, к центру трубы, где скорость максимальна. Это означает, что мы имеем отрицательную дивергенцию, для которой величина зависит от резкости изменения скорости, а не от ее общей величины.∇ U ∇ Uu ∇u ∇u
Следовательно, не является незначительным, что, разумеется, является всего лишь Навье-Стоксом, точно предсказывающим тенденцию вязких сил вызывать падение давления в устойчивом состоянии горизонтальный поток в трубе (или вы можете назвать это необходимостью падения давления, чтобы усилить поток против вязких сил, как вам угодно). Отмените гравитационные и изменяющиеся во времени термины и убедитесь сами.∇2v⃗ ={−|∇2u|,0,0}
источник