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Lagrangian and Eulerian Specifications (fluids)

1788
  • Joseph-Louis Lagrange
  • Leonhard Euler

These are two ways to describe motion in continuum mechanics:

  • the Lagrangian specification follows individual material particles, tracking their properties over time, like watching a specific car in traffic
  • the Eulerian specification focuses on fixed points in space, observing the properties (velocity, density) of whatever particles pass through those points, like a traffic camera observing a fixed intersection.

In the Lagrangian description, the motion of a continuum is described by tracking the path of each individual particle. The position of a particle [latex]\mathbf{X}[/latex] in the initial configuration (at time [latex]t_0[/latex]) is used as its label. Its position at a later time [latex]t[/latex] is given by a function [latex]\mathbf{x} = \boldsymbol{\chi}(\mathbf{X}, t)[/latex]. Physical properties like velocity and acceleration are then calculated by taking time derivatives of this function while keeping [latex]\mathbf{X}[/latex] constant. This approach is intuitive as it mirrors how we observe individual objects. It is the natural Rahmen for solid Mechanik, where material points are tracked as the body deforms.

Conversely, the Eulerian description focuses on what happens at fixed locations in space. Instead of tracking particles, we define a field for each physical property as a function of position [latex]\mathbf{x}[/latex] and time [latex]t[/latex]. For example, the velocity field is given by [latex]\mathbf{v} = \mathbf{v}(\mathbf{x}, t)[/latex], which represents the velocity of whichever particle happens to be at point [latex]\mathbf{x}[/latex] at time [latex]t[/latex]. This perspective is generally more convenient for fluid dynamics. The acceleration of a fluid particle in the Eulerian frame is described by the material derivative, [latex]D\mathbf{v}/Dt = \partial \mathbf{v}/\partial t + (\mathbf{v} \cdot \nabla)\mathbf{v}[/latex], which includes both the local acceleration at a point and the convective acceleration due to the particle moving to a new location with a different velocity.

UNESCO Nomenclature: 2209
– Fluid dynamics

Typ

Abstract System

Disruption

Foundational

Verwendung

Widespread Use

Precursors

  • Newtonian mechanics
  • Calculus of variations
  • Kinematics of rigid bodies
  • Euler’s earlier work on fluid motion

Anwendungen

  • computational fluid dynamics (CFD) solvers often use an eulerian grid
  • solid mechanics and finite element analysis typically use a lagrangian description
  • weather forecasting models use an eulerian framework to describe atmospheric properties at fixed locations
  • particle tracking velocimetry (PTV) is a lagrangian measurement technique

Patente:

DAS

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