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连续统假设

1820
研究人员在 19 世纪的实验室中研究流体动力学,重点是连续假设。

连续介质假设将流体视为连续物质,而非离散分子。当问题的长度尺度远大于分子间距离时,这种简化是有效的,从而允许在无穷小的点上定义密度和速度等属性。这使得我们能够使用微分方程来描述流体流动的宏观行为。

连续假设是流体力学和整个连续介质力学的基础概念。它允许我们忽略物质的原子性和非连续性,将流体作为一种连续的物质或场来建模。在这一假设下,密度、压力、温度和速度等属性被认为在空间的任何一点都定义明确,并且从一点到另一点连续变化。这种数学理想化至关重要,因为它允许应用微积分,尤其是 偏微分 方程,如纳维-斯托克斯方程,来模拟流体行为。

这一假设的有效性由努森数([latex]Kn[/latex])决定,努森数是分子平均自由路径(分子与另一分子碰撞前的平均距离)与问题的代表性物理长度尺度之比。当 [latex]Kn ll 1[/latex] 时,连续性假设成立。然而,在长度尺度与平均自由路径相当的情况下,例如在高层大气中的稀薄气体、微机电系统(MEMS)或冲击波中,该假设就不成立了。在这些情况下,需要使用基于统计力学的更复杂模型,如玻尔兹曼方程或直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,通过考虑单个分子的运动来准确描述流体的行为。

因此,连续介质假设是连接原子微观世界和我们观察到的宏观世界的关键桥梁。它将复杂的分子相互作用简化为可管理的连续属性,使得绝大多数与流体流动相关的工程和物理问题在计算上易于处理,并能以高精度求解。

UNESCO Nomenclature: 2210
- 机械

类型

抽象系统

中断

基础

使用方法

广泛使用

前体

  • 原子理论
  • 牛顿和莱布尼茨对微积分的发展
  • 伊万杰利斯塔·托里拆利和布莱斯·帕斯卡的早期压力和密度概念

应用

  • 计算流体动力学(CFD)
  • 机翼的气动分析
  • 天气预报模型
  • 水坝和管道水利工程
  • 动脉血流建模

专利:

NA

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相关内容: 连续介质力学、流体、密度、速度、微分方程、克努森数、平均自由路径、宏观。

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