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雷诺传输定理

雷诺传输定理(Reynolds transport theorem),又称为传输方程式(Transport equation),用于描述流体(fluid)性质的变化。

简介

雷诺传输定理也称为 戈特弗里德·莱布尼茨雷诺传输定理或 雷诺定理,是以积分符号内取导数闻名的莱布尼兹积分律的三维推广。

雷诺传输定理得名自雷诺,O.,用来调整积分量的微分,用来推导连续介质力学的基础方程

考虑在时变的区域 积分,其边界为,考虑上式对时间的积分:

若要求上述积分的导数,会有两个问题,的时间相依性,及因动态的边界而增加或减少的空间,雷诺传输定理提供了必要的框架。

特点

传输方程式可用来定量地描述流场中流体性质的变化情形,譬如在一个控制容积(Control volume)之中含有某种流体。在经过一段时间 之后,若控制容积中流体的总体性质B有所改变,则其变化必定是下列两种原因所造成的: (1)总体性质B可能会因为本身的特性或外在因素的影响而产生随时间的变化,譬如流体中含有某种化学物质,该物质会因化学反应造成其质量B的变化,即为该物质质量的变化率。又譬如B为流体的动量,在受到外力的状况下,流体的动量会有所改变。 (2)因为流体流动所造成的变化:当流体流经控制容积时,会带入或带出一部份的物质。当流出控制容积的总体性质大于流入量,则净流出量为正,会造成控制容积之中该总体性质的减少;反之,流入量大于流出量便会造成该总体性质的增加。

通用型式

要推导的雷诺传输定理是:

其中 为向外的单位法向量,为区域中的一点,也是积分变数,及 是 内的体积元素及表面元素,为面积元素的速度,不一定要是流速。函数 可以是张量向量标量函数。注意等式左边的积分只是时间的函数,因此可以用全微分。

针对流体块的形式

在连续介质力学中,此定理常用在没有物质进来或离开的流体块或固体中。若 为一流体块,则存在速度函数 及边界元素符合下式:

上式在替代后,可以得到以下的定理:

错误的引用

定理常被错误的引用为只针对物质体积(material volume)的形式,若将只针对物质体积应用于物质体积以外的区域中,就会出现问题。

特别形式

简化

若不随时间改变,则,且恒等式化简为以下的形式:

不过若用了不正确的雷诺传输定理,无法进行上述的简化。

在一维下的诠释及简化

定理是积分符号内取导数的高维延伸,有些情形下可以简化为积分符号内取微分。假设f和y}和z无关,且 为 平面的单位方块,且有 及 的极限,雷诺传输定理会简化为:

上述是由积分符号内取导数来的表示式,但x及t变数已经对调。

参考资料