Стоксов поток
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.
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]
Теоремы
[ редактировать ]Решение Стокса и связанная с ним теорема Гельмгольца
[ 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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Дюсенбери, Дэвид Б. (2009). Жизнь в микромасштабе . Издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс ISBN 978-0-674-03116-6
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Лил, LG (2007). Расширенные явления переноса: механика жидкости и процессы конвективного переноса .
- ^ 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.
- ^ Бреннен, Кристофер Э. «Особенности потока Стокса» (PDF) . Caltech.edu . п. 1. Архивировано из оригинала (PDF) 10 сентября 2021 года . Проверено 18 июля 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хаппель Дж. и Бреннер Х. (1981) Гидродинамика с низким числом Рейнольдса , Springer. ISBN 90-01-37115-9 .
- ^ Хеллер, Джон П. (1960). «Несмешиваемая демонстрация». Американский журнал физики . 28 (4): 348–353. Бибкод : 1960AmJPh..28..348H . дои : 10.1119/1.1935802 .
- ^ Эйрих, Фредерик, изд. (1967). Реология: теория и приложения . Нью-Йорк: Академическая пресса. п. 23. ISBN 9780122343049 . Проверено 18 июля 2021 г.
- ^ Лэмб, Гораций (1945). Гидродинамика (Шестое изд.). Нью-Йорк: Dover Publications. стр. 602–604 .
- ^ 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
- ^ Дюсенбери, Дэвид Б. (2009). Жизнь в микромасштабе , стр.46. Издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс ISBN 978-0-674-03116-6 .
- ^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : «Ламинарный поток» . Ютуб .
- ^ «Документ без названия» .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- Окендон, Х. и Окендон Дж.Р. (1995) Вязкое течение , издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-45881-1 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Видеодемонстрация обратимости стоксова потока во времени от UNM Physics and Astronomy