粘度为μ,密度为ρ的不可压缩牛顿流体,受静水压力p和加速度g的作用,其运动可以描述为满足纳维尔(叶)-斯托克斯(Navier-Stokes)方程的速度矢量场V:
- 我们用复数形式来表示这一个方程,因为它以向量的形式表示了三个方程
这些方程式是以克劳德-路易·纳维尔和乔治·斯托克斯爵士的名字命名的。
纳维尔-斯托克斯方程方程是一个微分方程,它对空间中每一点的无限小流体的速度V施加规则。结果可以解释为浸没在流体中的测试粒子的运动或流体本身的运动。
假设V的x,y,z分量分别为u,v,w。单位向量在x,y和z方向将被写成x,y和z。
如果你上过一些基础的物理或微积分课程,你可能会认识∇算子,并理解标量函数的拉普拉斯函数∇²f和向量函数的散度∇⋅F 。在纳维尔-斯托克斯方程中有两个向量微分算子,你们可能不熟悉。第一个是矢量拉普拉斯运算符∇²V,第二个是运算符 (V⋅∇)V。幸运的是,我们很容易理解这些运算符的含义。拉普拉斯向量对向量函数的每个标量分量应用拉普拉斯算子:
流体的基本物理学变形是使一个物质体的所有组成粒子发生位移的过程。这里,我们感兴趣的是连续变形。在这种变形中,物质体不会被分离成不相交的部分。在这种变形之前,粒子之间的距离是无穷小的,在变形之后,粒子之间的距离仍然是无穷小的。
物体的变形是由表面的应力引起的,表面应力有两种类型。正应力的方向垂直于表面,剪应力的方向平行于表面。应力等于力除以面积。
流体被定义为不能抵抗剪应力的物质体。只要对某一流体体施加剪应力,该流体就会不断地变形。这就引出了流体的流行定义,即流体总是以其容器的形状存在。牛顿体是一种变形的变化率与应力成线性关系的流体。