渦度方程式
渦度$ \bm\omega=\bm\nabla\times\bm vが満たす方程式
いくつかの仮定を入れて単純化すると、以下の渦度輸送方程式になる渦度方程式#650e2cba1280f000009475bd
$ \frac{\mathrm D\bm\omega}{\mathrm Dt}=\nu\bm\nabla^2\bm\omega+\bm\omega\cdot\bm\nabla\bm v
導出
$ \bm\nabla\rho=\bm0を仮定する
$ \frac{\mathrm D\bm v}{\mathrm Dt}=-\frac1\rho\bm\nabla p+\nu\bm\nabla^2\bm v
$ \implies \bm\nabla\times\frac{\mathrm D\bm v}{\mathrm Dt}=-\frac1\rho\bm\nabla\times\bm\nabla p+\nu\bm\nabla\times\bm\nabla^2\bm v
$ =\bm 0+\nu\bm\nabla\times\bm\nabla^2\bm v
$ \because∇⨯∇φ=0
$ = \nu\bm\nabla^2\bm\omega
$ \becauseLaplacianと微分演算子の交換則
$ \iff \frac{\partial\bm\omega}{\partial t}+\bm\nabla\times(\bm v\cdot\bm\nabla\bm v)=\bm\nabla^2\bm\omega
$ \iff \frac{\partial\bm\omega}{\partial t}+\bm v\cdot\bm\nabla\bm\omega-\bm\omega\cdot\bm\nabla\bm v=\nu\bm\nabla^2\bm\omega
$ \because\bm v\cdot\bm\nabla\bm v=\bm\omega\times\bm v+\bm\nabla\left(\frac12|\bm v|^2\right)
$ \becausea⨯(∇⨯a)=∇(1/2|a|^2)-a∙∇a
$ \implies\bm\nabla\times(\bm v\cdot\bm\nabla\bm v)=\bm\nabla\times(\bm\omega\times\bm v)+\bm 0
$ \because∇⨯∇φ=0
$ =\bm\nabla\cdot(\bm v\bm\omega)-\bm\nabla\cdot(\bm\omega\bm v)
$ \because∇⨯(a⨯b)=∇∙(ba)-∇∙(ab)
$ =\bm v\cdot\bm\nabla\bm\omega-\bm\omega\cdot\bm\nabla\bm v
$ \because \bm\nabla\cdot\bm\omega =0
$ \underline{\iff \frac{\mathrm D\bm\omega}{\mathrm D t}=\bm\omega\cdot\bm\nabla\bm v+\nu\bm\nabla^2\bm\omega\quad}_\blacksquare
これを物質表示した方程式から、Lagrangeの渦定理が導出できるらしい?
References
『明解水理学』 1.5(d) p.24
結果しか書かれていない
Vorticity_equation - Wikipedia
だいぶ詳しそう
7 渦度方程式 | 東京学芸大学気象学研究室
第5章 渦の記述 | 地球流体電脳倶楽部
渦運動の基礎知識 - 日本流体力学会
4.3 渦度方程式 | 大気海洋物理学・気候力学コース
外力potentialを削る過程が書かれていない
https://w3.u-ryukyu.ac.jp/yhisaki/fluid/2013/fluid07sohps.pdf
物理的解釈を詳しく図解している
#2024-04-08 22:31:11
#2024-04-06 08:06:00
#2024-04-05
#2024-02-22 18:22:04
#2023-10-27 16:41:50
#2023-09-23 09:08:50