雷诺传输定理

雷诺传输定理也称为莱布尼兹-雷诺传输定理雷诺输运定理,是以积分符号内取微分闻名的莱布尼兹积分的三维推广。

雷诺传输定理得名自奥斯鲍恩·雷诺(1842–1912),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,考虑上式对时间的微分:

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。

通用型式 编辑

雷诺传输定理可表为以下形式[1][2][3]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,  是位于 的体积元素及表面元素, 为面积元素的速度而非流速。函数 可以是张量向量标量函数[4]。注意等式左边的积分只是时间的函数,所以采用全微分符号。

针对流体块的形式 编辑

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[5]

 

错误的引用 编辑

此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 编辑

 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 编辑

此定理是积分符号内取微分的高维延伸,有些情形下可以简化为积分符号内取微分。假设   无关,且  平面的单位方块,且有  的极限,雷诺传输定理会简化为

 

上述是由积分符号内取微分来的表示式,但x及t变数已经对调。

相关条目 编辑

脚注 编辑

  1. ^ L. Gary Leal, 2007, p. 23.
  2. ^ O. Reynolds, 1903, Vol. 3, p. 12–13
  3. ^ J.E. Marsden and A. Tromba, 5th ed. 2003
  4. ^ H. Yamaguchi, Engineering Fluid Mechanics, Springer c2008 p23
  5. ^ T. Belytschko, W. K. Liu, and B. Moran, 2000, Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures, John Wiley and Sons, Ltd., New York.
  6. ^ Gurtin M. E., 1981, An Introduction to Continuum Mechanics. Academic Press, New York, p. 77.

参考资料 编辑

  • 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 .

外部链接 编辑

  • Osborne Reynolds, Collected Papers on Mechanical and Physical Subjects, in three volumes, published circa 1903, now fully and freely

available in digital format:Volume 1, Volume 2, Volume 3,