偶极子流
流体力学专业术语
偶极子流是等强度源流和汇流的一种组合,其中点源和点汇无限接近并保持强度和距离的乘积等于一常数值。
数学表达
偶极子流是等强度源流和汇流的一种组合,其中点源和点汇无限接近并保持强度和距离的乘积等于一常数值。设O点和O'点上分别有强度均为Q的点汇和点源(图1),它们对空间中任一点P所感生的速度势φ为:
式中r和r'分别为O和O'到P的距离。令O’趋于O,并要求 ,得偶极子速度势的表达式:
式中 为 在L方向上的方向导数,θ为L和OP的夹角;m为偶极矩矢量,其大小为m,方向由汇到源,可见偶极子 。从汇向源出的直线是偶极子的轴。取球坐标系,使方程中的θ和球坐标系中的坐标θ重合。根据轴对称性,存在着液函数ψ,使
积分后得
这里约定θ=0时ψ=0。在柱坐标系中,偶极子的φ和ψ的表达式为:
对平面偶极子进行完全类似的定义和讨论,可得φ和ψ的表达式:
它的复变解析函数(即复位势)的表达式为:
式中,β为OL与x轴的夹角(图1)。偶极子流的流线族和等势线族如图2、图3所示,它们显然是正交的。在二维偶极子流中,流线是圆
心在y轴上的圆,而等势线则为圆心在x轴上的圆(图2)。在三维偶极子流中,等势线和流线组成的正交曲线网和二维情形相似,但它们的形状已经不是圆了(图3)。
偶极子流是一种重要的基本流子,它和其他基本流子叠加在一起,可以得到一些很典型的流动。例如均匀流同一个方向与均匀流相反的平面偶极子叠加,得到均匀来流绕圆柱的流动;均匀流同一个方向与均匀流相反的三维偶极子叠加,则得均匀来流绕圆球的流动(图),其速度势φ的方程为:
式中V∞为均匀来流的速度;α为圆球半径;r、θ为球极坐标。和三维点源一样,三维偶极子也可以连续地分布在曲线、曲面或体积内,使单位长度、单位面积或单位体积上的强度保持有限,从而为解决绕流问题提供另一类奇点组合。例如,沿圆周均匀分布偶极子强度,使偶极子轴线与圆周所在的平面垂直,再在偶极子的负轴方向叠加一均匀流动,就可得到绕圆环形物体的流动。
参考文献
1.词条作者:吴望一《中国大百科全书》74卷(第二版)物理学词条:流体力学:中国大百科全书出版社,2009-07:374-375页.
参考资料
最新修订时间:2024-06-13 15:15
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