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纳维-斯托克斯方程

1822
  • Claude-Louis Navier
  • George Gabriel Stokes
流体动力学研究人员使用纳维-斯托克斯方程分析流动模式。

(图片仅供参考)

纳维-斯托克斯方程是一组非线性的 偏微分 equations describing the motion of viscous fluid substances. They are a statement of Newton’s 第二定律, balancing momentum changes with 压力 梯度、粘性力和外力。对于不可压缩流体,方程为 [latex]\rho (\frac\{partial \mathbf{v}}\{partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex]。.

纳维-斯托克斯方程是现代流体力学的基石。方程中的项代表了支配流体运动的基本物理原理。左边的 [latex]\rho (\frac\partial \mathbf{v}}{partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v})[/latex] 代表单位体积的惯性力,分为非稳态加速度(速度随时间的变化)和对流加速度(流体移动到新位置时的速度变化)。右侧详细说明了作用在流体上的力。术语 [latex]-\nabla p[/latex] 是压力梯度,它驱动流体从高压区域流向低压区域。术语 [latex]\mu \nabla^2 \mathbf{v}[/latex] 代表粘性力,它在流体内部起着内摩擦作用,阻碍运动并耗散能量。最后,[latex] (mathbf{f}[/latex])表示重力等体外力。.

由于这些方程的非线性性质,特别是对流加速项 [latex]\mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}[/latex] 的非线性性质,它们很难通过解析求解。这种非线性是造成湍流的主要原因,湍流是一种复杂而混乱的流动机制,至今仍是经典物理学中尚未解决的重大问题之一。事实上,证明三维纳维-斯托克斯方程的解的存在性和平滑性是克莱数学研究所提出的七个千年奖问题之一。.

在实际应用中,工程师和科学家依靠计算流体动力学(CFD),利用超级计算机找到近似数值解。通过将流体域离散成精细网格,并求解每个单元的方程,CFD 可以模拟从一级方程式赛车气流到地球海洋环流等各种情况,使纳维-斯托克斯方程成为现代科学和工程学中不可或缺的工具。.

UNESCO Nomenclature: 2210
- 机械

类型

抽象系统

中断

革命

用法

广泛使用

前体

  • 伊萨克-牛顿运动定律
  • 不粘性流动的梁哈德-欧拉方程
  • augustin-louis cauchy’s momentum equation
  • 偏微分学的发展

应用程序

  • 飞机和汽车设计
  • 天气预报
  • 血流分析
  • 发电站设计
  • 污染扩散分析
  • 石油管道设计

专利:

NA

潜在创新理念

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相关内容: 纳维-斯托克斯、CFD、粘性流、不可压缩流、流体动力学、偏微分方程、牛顿第二定律、湍流。.

历史背景

纳维-斯托克斯方程

1816-11-16
1820
1820
1822
1824
1827
1831
1816-11-16
1820
1820
1821
1822
1827
1831
1831

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

相关发明、创新和技术原理

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