位势流(Potential Flow)又称位流,势流。它的流场是一个标量函数Φ的梯度。采用直角坐标系x、y、z,把流速U的三个分量用u,v,w来表示,则它们都是x、y、z和时间t的函数。
数学分析有一命题:旋度在一个区域中为零同这个区域中流动有速度势是相互等价的。因此,位势流又叫
无旋流。从18世纪开始,人们用位势流的方法成功地反映了涟波、潮汐波和声波的规律。19世纪中期又弄清无粘流体的理论可以允许一部分流体是有旋的(如涡丝、涡环),而包围这部分有旋流的却可以是位势流。并且,如果知道了有旋流部分的旋度分布,就可以算出位势流部分的
速度场。
位势流在流体力学中发展得早而成熟,从欧拉就开始研究,这是因为相应的数学问题比较简单。把三个未知函数 u,v,w用一个标量函数Φ来代替,如果密度ρ均匀不变,又不考虑
粘性,而采用
欧拉方程计算,则
连续方程:就简化成,即。
这样,方程就变成了线性的、只有一个未知量Φ的二阶常系数椭圆型方程──
拉普拉斯方程。这比原来要处理的
非线性方程组,从数学上说简单得多。此外,在定常的情形下,还可以把欧拉方程组沿流线积分而得到
伯努利方程。这样,一旦求出Φ就可根据
伯努利方程求出压力分布p(x,y,z,t)。
开尔文欧拉方程成立,那么流体线都移动、变形,环量仍为零。因此,这些流体线内部没有旋度,都是位势流。可见,位势流的出现会是广泛的。还要说明一下,不能盲目地假设流动一定都是位势流。流体线不能穿过流场发生不连续的面(如切向间断),否则环量守恒和上述论证都不成立。切向间断和边界层是两种产生涡旋的原因(见
涡旋)都不能用位势流理论来描述。