Jump to content

Стоксов поток

(Перенаправлено с «Ползучего потока »)
На объект, движущийся в газе или жидкости, действует сила , направленная противоположно его движению. Конечная скорость достигается, когда сила сопротивления равна по величине, но противоположна по направлению силе, толкающей объект. Показана сфера в потоке Стокса с очень низким числом Рейнольдса .

Поток Стокса (названный в честь Джорджа Габриэля Стокса ), также называемый ползучим потоком или ползучим движением , [1] это тип потока жидкости , при котором адвективные силы инерции малы по сравнению с вязкими силами. [2] Число Рейнольдса мало, т.е. . Это типичная ситуация в потоках, где скорости жидкости очень малы, вязкость очень велика или масштаб потока очень мал. Ползучее течение было впервые изучено для понимания процесса смазки . В природе этот тип течения встречается при плавании микроорганизмов и сперматозоидов . [3] В технологии это происходит в красках , устройствах MEMS и вообще в потоке вязких полимеров .

Уравнения движения потока Стокса, называемые уравнениями Стокса, представляют собой линеаризацию уравнений Навье – Стокса и, таким образом, могут быть решены рядом хорошо известных методов для линейных дифференциальных уравнений. [4] Основной функцией Грина потока Стокса является функция Стокса , которая связана с особой точечной силой, встроенной в поток Стокса. Из ее производных и другие фундаментальные решения . можно получить [5] Стокслет был впервые выведен Осеном в 1927 году, хотя Хэнкок не называл его таковым до 1953 года. [6] в замкнутой форме фундаментальные решения для обобщенных нестационарных течений Стокса и Озеена, связанных с произвольными нестационарными поступательными и вращательными движениями. Для ньютоновских уравнений получены [7] и микрополярный [8] жидкости.

Уравнения Стокса

[ редактировать ]

Уравнение движения стоксова потока можно получить путем линеаризации стационарных уравнений Навье – Стокса . Предполагается, что инерционные силы пренебрежимо малы по сравнению с вязкими силами, и исключение инерционных членов баланса количества движения в уравнениях Навье – Стокса сводит его к балансу количества движения в уравнениях Стокса: [1]

где напряжение (сумма вязких и сжимающих напряжений), [9] [10] и приложенная к телу сила. Полные уравнения Стокса также включают уравнение сохранения массы , обычно записываемое в форме:

где плотность жидкости и скорость жидкости. Для получения уравнений движения несжимаемого течения предполагается, что плотность , является константой.

Кроме того, иногда можно рассмотреть нестационарные уравнения Стокса, в которых член добавляется в левую часть уравнения баланса импульса. [1]

Характеристики

[ редактировать ]

Уравнения Стокса представляют собой значительное упрощение полных уравнений Навье – Стокса , особенно в несжимаемом ньютоновском случае. [2] [4] [9] [10] Они представляют собой упрощение главного порядка полных уравнений Навье – Стокса, справедливое в отмеченном пределе.

Мгновенность
Поток Стокса не зависит от времени, кроме зависящих от времени граничных условий . Это означает, что при заданных граничных условиях потока Стокса поток можно найти, не зная течения в любой другой момент времени.
обратимость времени
Непосредственное следствие мгновенности, обратимость во времени, означает, что обращенный во времени поток Стокса решает те же уравнения, что и исходный поток Стокса. Это свойство иногда можно использовать (в сочетании с линейностью и симметрией граничных условий) для получения результатов о потоке без его полного решения. Обратимость во времени означает, что трудно смешать две жидкости, используя ползущий поток.
Обратимость стоксовых потоков во времени: краситель был введен в вязкую жидкость, зажатую между двумя концентрическими цилиндрами (верхняя панель). Затем основной цилиндр вращается, чтобы срезать краситель по спирали, если смотреть сверху. Краситель кажется смешанным с жидкостью, если смотреть сбоку (средняя панель). Затем вращение меняется на противоположное, возвращая цилиндр в исходное положение. Краситель «растворяется» (нижняя панель). Обратное обращение не является идеальным, поскольку происходит некоторая диффузия красителя. [11] [12]

Хотя эти свойства верны для несжимаемых ньютоновских потоков Стокса, нелинейный и иногда зависящий от времени характер неньютоновских жидкостей означает, что они не выполняются в более общем случае.

Парадокс Стокса

[ редактировать ]

Интересное свойство потока Стокса известно как парадокс Стокса : не может быть стоксова потока жидкости вокруг диска в двух измерениях; или, что то же самое, тот факт, что не существует нетривиального решения уравнений Стокса вокруг бесконечно длинного цилиндра. [13]

Демонстрация обратимости времени

[ редактировать ]

Система Тейлора-Куэтта может создавать ламинарные потоки, в которых концентрические цилиндры жидкости движутся мимо друг друга по видимой спирали. [14] Жидкость, такая как кукурузный сироп с высокой вязкостью, заполняет зазор между двумя цилиндрами, при этом цветные области жидкости видны через прозрачный внешний цилиндр.Цилиндры вращаются друг относительно друга с низкой скоростью, что вместе с высокой вязкостью жидкости и тонкостью зазора дает низкое число Рейнольдса , так что кажущееся смешение цветов на самом деле является ламинарным и затем может быть обращено примерно к исходное состояние. Это создает эффектную демонстрацию того, как жидкость смешивается, а затем размешивается, меняя направление миксера. [15] [16] [17]

Несжимаемое течение ньютоновских жидкостей

[ редактировать ]

В общем случае несжимаемой ньютоновской жидкости уравнения Стокса принимают (векторизованный) вид:

где - скорость жидкости, градиент давления , - динамическая вязкость, а приложенная к телу сила. Полученные уравнения являются линейными по скорости и давлению и, следовательно, могут использовать преимущества различных средств решения линейных дифференциальных уравнений. [4]

Декартовы координаты

[ редактировать ]

При расширении вектора скорости как и аналогично вектор объемной силы , мы можем написать векторное уравнение явно:

Мы приходим к этим уравнениям, делая предположения, что и плотность является константой. [9]

Методы решения

[ редактировать ]

По потоковой функции

[ редактировать ]

Уравнение несжимаемого ньютоновского течения Стокса может быть решено методом функции тока в плоском или трехмерном осесимметричном случае.

Тип функции Геометрия Уравнение Комментарии
Функция потока , 2-D планарный или ( бигармоническое уравнение ) оператор Лапласа в двух измерениях
функция потока Стокса , 3-D сферический где Для вывода оператор см. функцию потока Стокса # Завихрение
3-D цилиндрический где Для видеть [18]

По функции Грина: Стокслет

[ редактировать ]

Линейность уравнений Стокса в случае несжимаемой ньютоновской жидкости означает что функция Грина , , существует. Функция Грина находится путем решения уравнений Стокса с заменой вынуждающего члена точечной силой, действующей в начале координат, и граничными условиями, исчезающими на бесконечности:

где дельта-функция Дирака , а представляет собой точечную силу, действующую в начале координат. Решение для давления p и скорости u с | ты | и p, исчезающее на бесконечности, определяется выражением [1]

где

второго ранга — тензор (или, точнее, тензорное поле ), известный как тензор Озеена (по имени Карла Вильгельма Осеена ). Здесь r r — такая величина, что . [ нужны разъяснения ]

Термины Стокслета и решение точечной силы используются для описания . Аналогично точечному заряду в электростатике , заряд Стокса свободен везде, кроме начала координат, где он содержит силу силы. .

Для распределения непрерывной силы (плотности) тогда решение (снова исчезающее на бесконечности) можно построить с помощью суперпозиции:

Такое интегральное представление скорости можно рассматривать как понижение размерности: от трехмерного уравнения в частных производных к двумерному интегральному уравнению для неизвестных плотностей. [1]

По решению Папковича–Нейбера

[ редактировать ]

Решение Папковича –Нейбера представляет поля скорости и давления несжимаемого ньютоновского стоксова потока через два гармонических потенциала.

Методом граничных элементов

[ редактировать ]

Некоторые задачи, например эволюция формы пузырька в стоксовом потоке, пригодны для численного решения методом граничных элементов . Этот метод можно применять как к 2-, так и к 3-мерным потокам.

Некоторые геометрии

[ редактировать ]

Поток Хеле-Шоу

[ редактировать ]

Поток Хеле-Шоу является примером геометрии, для которой силы инерции пренебрежимо малы. Он определяется двумя параллельными пластинами, расположенными очень близко друг к другу, причем пространство между пластинами занято частично жидкостью, частично препятствиями в виде цилиндров с образующими, перпендикулярными пластинам. [9]

Теория стройного тела

[ редактировать ]

Теория тонкого тела в стоксовом течении представляет собой простой приближенный метод определения поля безвихревого течения вокруг тел, длина которых велика по сравнению с их шириной. Основой метода является выбор такого распределения особенностей течения вдоль линии (ввиду тонкости тела), чтобы их безвихревое течение в сочетании с однородным потоком приблизительно удовлетворяло условию нулевой нормальной скорости. [9]

Сферические координаты

[ редактировать ]

Общее решение Лэмба возникает из-за того, что давление удовлетворяет уравнению Лапласа и может быть разложен в ряд твердых сферических гармоник в сферических координатах. В результате решение уравнений Стокса можно записать:

где и представляют собой сплошные сферические гармоники порядка :

и являются ассоциированными полиномами Лежандра . Решение Лэмба можно использовать для описания движения жидкости как внутри, так и вне сферы. Например, его можно использовать для описания движения жидкости вокруг сферической частицы с заданным поверхностным потоком, так называемого квирмера , или для описания течения внутри сферической капли жидкости. Для внутренних течений условия с опускаются, а для внешних потоков слагаемые с отбрасываются (часто соглашение предполагается для внешних потоков, чтобы избежать индексации отрицательными числами). [1]

[ редактировать ]

Здесь суммировано сопротивление лобовому сопротивлению движущейся сферы, также известное как решение Стокса. Дана сфера радиуса , движущийся со скоростью , в жидкости Стокса с динамической вязкостью , сила сопротивления дается: [9]

Решение Стокса рассеивает меньше энергии, чем любое другое соленоидальное векторное поле с теми же граничными скоростями: это известно как теорема Гельмгольца о минимальной диссипации . [1]

Теорема Лоренца взаимности

[ редактировать ]

Теорема взаимности Лоренца утверждает связь между двумя потоками Стокса в одной и той же области. Рассмотрим область, заполненную жидкостью ограничен поверхностью . Пусть поля скорости и решить уравнения Стокса в области , каждый с соответствующими полями напряжений и . Тогда имеет место следующее равенство:

Где является ли единица нормальной на поверхности . Теорему взаимности Лоренца можно использовать, чтобы показать, что поток Стокса «передает» без изменений общую силу и крутящий момент от внутренней замкнутой поверхности к внешней охватывающей поверхности. [1] Теорему взаимности Лоренца также можно использовать для связи скорости плавания микроорганизма, такого как цианобактерия , со скоростью поверхности, которая определяется деформациями формы тела посредством ресничек или жгутиков . [19] Теорема взаимности Лоренца также использовалась в контексте эластогидродинамической теории для определения подъемной силы, действующей на твердый объект, движущийся по касательной к поверхности упругой границы раздела при низких числах Рейнольдса . [20] [21]

Законы Факсена

[ редактировать ]

Законы Факсена представляют собой прямые соотношения, которые выражают мультипольные моменты через окружающий поток и его производные. Впервые разработанный Хильдингом Факсеном для расчета силы. и крутящий момент, на сфере они принимают следующий вид:

где – динамическая вязкость, - радиус частицы, это окружающий поток, - скорость частицы, – угловая скорость фонового потока, – угловая скорость частицы.

Законы Факсена можно обобщить для описания моментов других форм, таких как эллипсоиды, сфероиды и сферические капли. [1]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я Ким, С. и Каррила, С.Дж. (2005) Микрогидродинамика: принципы и избранные приложения , Дувр. ISBN   0-486-44219-5 .
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-11903-0 . Архивировано из оригинала 28 апреля 2019 г. Проверено 15 января 2010 г.
  3. ^ Дюсенбери, Дэвид Б. (2009). Жизнь в микромасштабе . Издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс ISBN   978-0-674-03116-6
  4. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Лил, LG (2007). Расширенные явления переноса: механика жидкости и процессы конвективного переноса .
  5. ^ Чванг А. и Ву Т. (1974). «Гидромеханика потока с малыми числами Рейнольдса. Часть 2. Метод сингулярности для потоков Стокса». Архивировано 7 марта 2012 г. на Wayback Machine . Дж. Гидромеханика. 62 (6), ч. 4, 787–815.
  6. ^ Бреннен, Кристофер Э. «Особенности потока Стокса» (PDF) . Caltech.edu . п. 1. Архивировано из оригинала (PDF) 10 сентября 2021 года . Проверено 18 июля 2021 г.
  7. ^ Шу, Цзянь-Цзюнь; Чван, Аллен Т. (2001). «Обобщенные фундаментальные решения для нестационарных вязких течений». Физический обзор E . 63 (5): 051201. arXiv : 1403.3247 . Бибкод : 2001PhRvE..63e1201S . дои : 10.1103/PhysRevE.63.051201 . ПМИД   11414893 . S2CID   22258027 .
  8. ^ Шу, Цзянь-Цзюнь; Ли, Дж. С. (2008). «Фундаментальные решения для микрополярных жидкостей». Журнал инженерной математики . 61 (1): 69–79. arXiv : 1402.5023 . Бибкод : 2008JEnMa..61...69S . дои : 10.1007/s10665-007-9160-8 . S2CID   3450011 .
  9. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж Бэтчелор, ГК (2000). Введение в механику жидкости . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-66396-0 .
  10. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хаппель Дж. и Бреннер Х. (1981) Гидродинамика с низким числом Рейнольдса , Springer. ISBN   90-01-37115-9 .
  11. ^ Хеллер, Джон П. (1960). «Несмешиваемая демонстрация». Американский журнал физики . 28 (4): 348–353. Бибкод : 1960AmJPh..28..348H . дои : 10.1119/1.1935802 .
  12. ^ Эйрих, Фредерик, изд. (1967). Реология: теория и приложения . Нью-Йорк: Академическая пресса. п. 23. ISBN  9780122343049 . Проверено 18 июля 2021 г.
  13. ^ Лэмб, Гораций (1945). Гидродинамика (Шестое изд.). Нью-Йорк: Dover Publications. стр. 602–604 .
  14. ^ К. Дэвид Андерек , С. С. Лю и Гарри Л. Суинни (1986). Режимы течения в круговой системе Куэтта с независимо вращающимися цилиндрами. Журнал механики жидкости, 164, стр. 155–183 doi:10.1017/S0022112086002513
  15. ^ Дюсенбери, Дэвид Б. (2009). Жизнь в микромасштабе , стр.46. Издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс ISBN   978-0-674-03116-6 .
  16. ^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : «Ламинарный поток» . Ютуб .
  17. ^ «Документ без названия» .
  18. ^ Пейн, Ле; WH Пелл (1960). «Задача Стокса о течении для класса осесимметричных тел». Журнал механики жидкости . 7 (4): 529–549. Бибкод : 1960JFM.....7..529P . дои : 10.1017/S002211206000027X . S2CID   122685039 .
  19. ^ Стоун, Ховард А.; Сэмюэл, Аравинтан Д.Т. (ноябрь 1996 г.). «Размещение микроорганизмов за счет искажений поверхности». Письма о физических отзывах . 19. 77 (19): 4102–4104. Бибкод : 1996PhRvL..77.4102S . doi : 10.1103/PhysRevLett.77.4102 . ПМИД   10062388 .
  20. ^ Дадди-Мусса-Идер, А.; Раллабанди, Б.; Гекле, С.; Стоун, ХА (август 2018 г.). «Теорема взаимности для предсказания нормальной силы, действующей на частицу, перемещающуюся параллельно эластичной мембране». Физический обзор жидкостей . 3 (8): 084101. arXiv : 1804.08429 . Бибкод : 2018PhRvF...3h4101D . doi : 10.1103/PhysRevFluids.3.084101 . S2CID   55619671 .
  21. ^ Раллабанди, Б.; Сентивс, Б.; Жюль, Т.; Салез, Т; Шёнекер, К.; Махадеван, Л.; Стоун, штат Джорджия (июль 2017 г.). «Вращение погруженного цилиндра, скользящего вблизи тонкого упругого покрытия». Физический обзор жидкостей . 2 (7): 074102. arXiv : 1611.03552 . Бибкод : 2017PhRvF...2g4102R . doi : 10.1103/PhysRevFluids.2.074102 . S2CID   9790910 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 23cefc484032fc1db9c5563fd2f9d936__1713128700
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/23/36/23cefc484032fc1db9c5563fd2f9d936.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Stokes flow - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)