連続の式 (流体)の導出
Euler的定式化による連続の式 (流体)の導出方法
from 流体の運動方程式(レベル2):ナビエ・ストークスの方程式の導出 part1
微分形の導出
微小立方体に微小時間の間に出入りする流体の質量と質量変化の和を考える
微小長方形領域内の質量変化を調べ、運動量保存則を用いて立式する
簡単のため、二次元流れで説明する
3次元でも同様
質量変化の要因は、境界からの流出と、領域内部の流体自体の質量変化の2つがある
境界からの流出
x軸
https://kakeru.app/a3d149c22654caed2f490688efded774 https://i.kakeru.app/a3d149c22654caed2f490688efded774.svg
x軸に直行する面から出ていく質量は$ \underbrace{\rho(x+\mathrm{d}x,y,t)}_{密度}\underbrace{u_x(x+\mathrm{d}x,y,t)\mathrm{d}t\mathrm{d}y}_{体積}-\underbrace{\rho(x,y,t)}_{密度}\underbrace{u_x(x,y,t)\mathrm{d}t\mathrm{d}y}_{体積}=\frac{\partial \rho u_x}{\partial x}\mathrm{d}x\mathrm{d}t\mathrm{d}yとなる
今は二次元で考えているので、体積に相当する次元は面積になっている
y軸
https://kakeru.app/e5ee8ff401634ede4240ecc3bacf34ea https://i.kakeru.app/e5ee8ff401634ede4240ecc3bacf34ea.svg
y軸に直行する面から出ていく質量は$ \rho(x,y+\mathrm{d}y,t)u_y(x,y+\mathrm{d}y,t)\mathrm{d}t\mathrm{d}x-\rho(x,y,t)u_y(x,y,t)\mathrm{d}t\mathrm{d}x=\frac{\partial \rho u_y}{\partial x}\mathrm{d}y\mathrm{d}t\mathrm{d}xとなる
領域内部の質量変化
$ \frac{\partial \rho}{\partial t}\mathrm{d}t\mathrm{d}x\mathrm{d}y
これらを質量保存則に適用する
$ \underbrace{\frac{\partial \rho u_x}{\partial x}\mathrm{d}x\mathrm{d}t\mathrm{d}y+\frac{\partial \rho u_y}{\partial x}\mathrm{d}y\mathrm{d}t\mathrm{d}x}_{境界から出ていく質量}+\underbrace{\frac{\partial \rho}{\partial t}\mathrm{d}t\mathrm{d}x\mathrm{d}y}_{領域内で増える質量}=0
$ \underline{\iff\pmb{\nabla}\cdot(\rho\pmb{u})+\frac{\partial \rho}{\partial t}=0\quad}_\blacksquare
導出では正規直交基底を使ったが、↑の太字記法による式は基底に依存しないので、任意の基底で成立する
物質微分による表記へ変換することもできる
$ \iff\rho\pmb{\nabla}\cdot\pmb{u}+\pmb{u}\cdot\pmb{\nabla}\rho+\frac{\partial \rho}{\partial t}=0
$ \iff\rho\pmb{\nabla}\cdot\pmb{u}+\frac{\mathrm{D}\rho}{\mathrm{D}t}=0
$ \underline{\iff\frac{\mathrm{D}\rho}{\mathrm{D}t}+\rho\pmb{\nabla}\cdot\pmb{u}=0\quad}_\blacksquare
補足
流体の運動方程式(レベル2):ナビエ・ストークスの方程式の導出 part1では領域の中心を基準に境界からの流出量を求めているが、どこに基準をとっても結果は同じである
連続の式のLagrange的導出
導出に使った式展開を一般化するとReynoldsの輸送定理になるっぽい?
EulerとLagrangeの相互変換ができる
#2022-07-08 10:21:37
#2022-07-05 10:59:09
#2022-07-01 19:16:24
#2022-06-29 09:27:37