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雷諾傳輸定理
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{{微積分學}} '''雷諾傳輸定理'''也稱為'''萊布尼茲-雷諾傳輸定理'''或'''雷諾输运定理''',是以[[積分符號內取微分]]聞名的萊布尼茲積分的三維推廣。 雷諾傳輸定理得名自[[奧斯鮑恩·雷諾]](1842–1912),用來調整積分量的微分,用來推導[[連續介質力學]]的基礎方程。 考慮在時變的區域<math>\Omega(t)</math>積分<math>\mathbf{f} = \mathbf{f}(\mathbf{x},t)</math>,其邊界為<math>\partial \Omega(t)</math>,考慮上式對時間的微分: :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_{\Omega(t)} \mathbf{f}~\text{dV} ~. </math> 若要求上述積分的導數,會有兩個問題,<math>\mathbf{f}</math>的時間相依性,及因<math>\Omega</math>動態的邊界而增加或減少的空間,雷諾傳輸定理提供了必要的框架。 == 通用型式 == 雷諾傳輸定理可表為以下形式<ref name=LGLp23>L. Gary Leal, 2007, p. 23.</ref><ref name=OR14>O. Reynolds, 1903, Vol. 3, p. 12–13</ref><ref name=MTp23>J.E. Marsden and A. Tromba, 5th ed. 2003</ref>是: :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_{\Omega(t)} \mathbf{f}~\text{dV} = \int_{\Omega(t)} \frac{\partial \mathbf{f}}{\partial t}~\text{dV} + \int_{\partial \Omega(t)} (\mathbf{v}_{b}\cdot\mathbf{n})\mathbf{f}~\text{dA} ~ </math> 其中<math>\mathbf{n}(\mathbf{x},t)</math>為向外的單位法向量,<math>\mathbf{x}</math>為區域中的一點,也是積分變數,<math>\text{dV}</math> 及<math>\text{dA}</math>是位於<math>\mathbf{x}</math>的體積元素及表面元素,<math>\mathbf{v}_{b}(\mathbf{x},t)</math>為面積元素的速度而非流速。函數<math>\mathbf{f}</math>可以是[[張量]]、[[向量]]或[[标量 (数学)|純量]]函數<ref>H. Yamaguchi, ''Engineering Fluid Mechanics, ''Springer c2008 p23</ref>。注意等式左邊的積分只是時間的函數,所以採用全微分符號。 ==針對流體塊的形式== 在連續介質力學中,此定理常用在沒有物質進來或離開的[[流體塊]]或固體中。若<math>\Omega(t)</math>為一流體塊,則存在速度函數<math>\mathbf{v}=\mathbf{v}(\mathbf{x},t)</math>及邊界元素符合下式 :<math>\mathbf{v}^{b}\cdot\mathbf{n}=\mathbf{v}\cdot\mathbf{n}.</math> 上式在替代後,可以得到以下的定理<ref name=BLM>T. Belytschko, W. K. Liu, and B. Moran, 2000, '' Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures'', John Wiley and Sons, Ltd., New York.</ref> :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\int_{\Omega(t)} \mathbf{f}~\text{dV}\right) = \int_{\Omega(t)} \frac{\partial \mathbf{f}}{\partial t}~\text{dV} + \int_{\partial \Omega(t)} (\mathbf{v}\cdot\mathbf{n})\mathbf{f}~\text{dA} ~. </math> :{| class="toccolours collapsible collapsed" width="50%" style="text-align:left" !針對一流體塊的證明 |- | 令<math>\Omega_0</math>為區域<math>\Omega(t)</math>的參考組態,令其運動及形變梯度為 :<math> \mathbf{x} = \boldsymbol{\varphi}(\mathbf{X}, t)~; \qquad\implies\qquad \boldsymbol{F}(\mathbf{X},t) = \boldsymbol{\nabla}_{\circ} \boldsymbol{\varphi} ~. </math> 令<math>J(\mathbf{X},t) = \det[\boldsymbol{F}(\mathbf{X},t)]</math>. 則目前組態及參考組態的積分有以下的關係 :<math> \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\text{dV} = \int_{\Omega_0} \mathbf{f}[\boldsymbol{\varphi}(\mathbf{X},t),t]~J(\mathbf{X},t)~\text{dV}_0 = \int_{\Omega_0} \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)~J(\mathbf{X},t)~\text{dV}_0 ~. </math> That this derivation is for a material element is implicit in the time constancy of the reference configuration: it is constant in material coordinates. 針對體積積分的微分定義為 :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\text{dV}\right) = \lim_{\Delta t \rightarrow 0} \cfrac{1}{\Delta t} \left(\int_{\Omega(t + \Delta t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t+\Delta t)~\text{dV} - \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\text{dV}\right) ~. </math> 將上式轉換為對參考組態的積分,可得 :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\text{dV}\right) = \lim_{\Delta t \rightarrow 0} \cfrac{1}{\Delta t} \left(\int_{\Omega_0} \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t+\Delta t)~J(\mathbf{X},t+\Delta t)~\text{dV}_0 - \int_{\Omega_0} \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)~J(\mathbf{X},t)~\text{dV}_0\right) ~. </math> 因為<math>\Omega_0</math>和時間無關,可得 :<math> \begin{align} \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\text{dV}\right) & = \int_{\Omega_0} \left[\lim_{\Delta t \rightarrow 0} \cfrac{ \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t+\Delta t)~J(\mathbf{X},t+\Delta t) - \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)~J(\mathbf{X},t)}{\Delta t} \right]~\text{dV}_0 \\ & = \int_{\Omega_0} \frac{\partial }{\partial t}[\hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)~J(\mathbf{X},t)]~\text{dV}_0 \\ & = \int_{\Omega_0} \left( \frac{\partial }{\partial t}[\hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)]~J(\mathbf{X},t)+ \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)~\frac{\partial }{\partial t}[J(\mathbf{X},t)]\right) ~\text{dV}_0 \end{align} </math> 現在,<math>\det\boldsymbol{F}</math>的時間導數為 <ref name=Gurtin>[[Morton Gurtin|Gurtin M. E.]], 1981, '' An Introduction to Continuum Mechanics''. Academic Press, New York, p. 77.</ref> :<math> \frac{\partial J(\mathbf{X},t)}{\partial t} = \frac{\partial }{\partial t}(\det\boldsymbol{F}) = (\det\boldsymbol{F})(\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}) = J(\mathbf{X},t)~\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}(\boldsymbol{\varphi}(\mathbf{X},t),t) = J(\mathbf{X},t)~\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}(\mathbf{x},t) ~. </math> 因此 :<math> \begin{align} \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\text{dV}\right) & = \int_{\Omega_0} \left( \frac{\partial }{\partial t}[\hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)]~J(\mathbf{X},t)+ \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)~J(\mathbf{X},t)~\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}(\mathbf{x},t)\right) ~\text{dV}_0 \\ & = \int_{\Omega_0} \left(\frac{\partial }{\partial t}[\hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)]+ \hat{\mathbf{f}}(\mathbf{X},t)~\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}(\mathbf{x},t)\right)~J(\mathbf{X},t) ~\text{dV}_0 \\ & = \int_{\Omega(t)} \left(\dot{\mathbf{f}}(\mathbf{x},t)+ \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}(\mathbf{x},t)\right)~\text{dV} \end{align} </math> 其中<math>\dot{\mathbf{f}}</math>為<math>\mathbf{f}</math>的{{link-en|材料導數|Material derivative}},現在材料導數為 :<math> \dot{\mathbf{f}}(\mathbf{x},t) = \frac{\partial \mathbf{f}(\mathbf{x},t)}{\partial t} + [\boldsymbol{\nabla} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)]\cdot\mathbf{v}(\mathbf{x},t) ~. </math> 因此 :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\text{dV}\right) = \int_{\Omega(t)} \left( \frac{\partial \mathbf{f}(\mathbf{x},t)}{\partial t} + [\boldsymbol{\nabla} \mathbf{f}(\mathbf{x},t)]\cdot\mathbf{v}(\mathbf{x},t) + \mathbf{f}(\mathbf{x},t)~\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}(\mathbf{x},t)\right)~\text{dV} </math> 或者 :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}~\text{dV}\right) = \int_{\Omega(t)} \left( \frac{\partial \mathbf{f}}{\partial t} + \boldsymbol{\nabla} \mathbf{f}\cdot\mathbf{v} + \mathbf{f}~\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{v}\right)~\text{dV} ~. </math> 利用以下的恆等式 :<math> \boldsymbol{\nabla} \cdot (\mathbf{v}\otimes\mathbf{w}) = \mathbf{v}(\boldsymbol{\nabla} \cdot \mathbf{w}) + \boldsymbol{\nabla}\mathbf{v}\cdot\mathbf{w} </math> 可得 :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}~\text{dV}\right) = \int_{\Omega(t)} \left(\frac{\partial \mathbf{f}}{\partial t} + \boldsymbol{\nabla} \cdot (\mathbf{f}\otimes\mathbf{v})\right)~\text{dV} ~. </math> 利用[[高斯散度定理]]及恆等式 <math>(\mathbf{a}\otimes\mathbf{b})\cdot\mathbf{n} = (\mathbf{b}\cdot\mathbf{n})\mathbf{a}</math>,可得 :<math> { \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \int_{\Omega(t)} \mathbf{f}~\text{dV}\right) = \int_{\Omega(t)}\frac{\partial \mathbf{f}}{\partial t}~\text{dV} + \int_{\partial \Omega(t)}(\mathbf{f}\otimes\mathbf{v})\cdot\mathbf{n}~\text{dA} = \int_{\Omega(t)}\frac{\partial \mathbf{f}}{\partial t}~\text{dV} + \int_{\partial \Omega(t)}(\mathbf{v}\cdot\mathbf{n})\mathbf{f}~\text{dA} \qquad \square } </math> |} == 錯誤的引用 == 此定理常被錯誤的引用為只針對物质体积(material volume)的形式,若將只針對物质体积應用於物质体积以外的區域中,就會出現問題。 ==特別形式== 若<math>\Omega</math>不隨時間改變,則<math>\mathbf{v}_b=0</math>,且恆等式化簡為以下的形式 :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_{\Omega} f~\text{dV} = \int_{\Omega} \frac{\partial f}{\partial t}~\text{dV} ~, </math> 不過若用了不正確的雷諾傳輸定理,無法進行上述的簡化。 ===在一維下的詮釋及簡化=== 此定理是[[積分符號內取微分]]的高維延伸,有些情形下可以簡化為積分符號內取微分。假設<math>f</math>和<math>y</math>和<math>z</math>無關,且<math>\Omega(t)</math>為<math>y-z</math>平面的單位方塊,且有<math>a(t)</math>及<math>b(t)</math>的極限,雷諾傳輸定理會簡化為 :<math> \cfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_{a(t)}^{b(t)} f~\text{dx} = \int_{a(t)}^{b(t)} \frac{\partial f}{\partial t}~\text{dx} + \frac{\partial b(t)}{\partial t} f(b(t),t) -\frac{\partial a(t)}{\partial t} f(a(t),t) ~, </math> 上述是由[[積分符號內取微分]]來的表示式,但x及t變數已經對調。 ==相關條目== *[[積分符號內取微分]] *{{link-en|萊布尼茲積分律|Leibniz integral rule}} ==腳註== {{reflist|2}} ==參考資料== *L. G. Leal, 2007, ''Advanced transport phenomena: fluid mechanics and convective transport processes'', Cambridge University Press, p. 912. *O. Reynolds, 1903, ''Papers on Mechanical and Physical Subjects'', Vol. 3, The Sub-Mechanics of the Universe, Cambridge University Press, Cambridge. *J. E. Marsden and A. Tromba, 2003, ''Vector Calculus'', 5th ed., W. H. Freeman . ==外部連結== * Osborne Reynolds, Collected Papers on Mechanical and Physical Subjects, in three volumes, published circa 1903, now fully and freely available in digital format:[http://www.archive.org/details/papersonmechanic01reynrich Volume 1], [http://www.archive.org/details/papersonmechanic02reynrich Volume 2], [http://www.archive.org/details/papersonmechanic03reynrich Volume 3], * https://web.archive.org/web/20080327180821/http://www.catea.org/grade/mecheng/mod6/mod6.html#slide1 * http://planetmath.org/reynoldstransporttheorem {{Wayback|url=http://planetmath.org/reynoldstransporttheorem |date=20150402132050 }} [[Category:空气动力学]] [[Category:连续介质力学]] [[Category:流体力学]] [[Category:流体动力学]] [[Category:流体力学中的方程]] [[Category:机械工程]] [[Category:化學工程]]
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