连续方程

更新时间:2023-11-23 10:41

质量守恒定律是应用于研究大气运动的基本物理定律,其数学表达式成为连续方程(continuity equation)。它表明,速度场与密度场是相互制约的,故连续方程也是描写大气运动的基本方程之一。

定义

质量守恒定律是应用于研究大气运动的基本物理定律,其数学表达式成为连续方程(continuity equation)。

它表明,速度场与密度场是相互制约的,故连续方程也是描写大气运动的基本方程之一。

方程推导过程

考虑一个具有固定质量 的物质体积元,其体积为 (取笛卡尔坐标系,见图 1),则有:

由于物质体积元在运动中质量守恒,因此有(1)式:

由图2.7所示,我们发现物质体积元的 y - z面(分别用A,B表示)随气流在 x 方向移动着,A面的速度为 ,B面的速度为 ,A 面和B 面的速度差

即有 ,类似地有 ,

所以

代入(1)式,得到

或写成(2)式

这就是连续方程。

速度散度

根据连续方程,有

表示速度散度

速度散度代表物质体积元的体积在运动中的相对膨胀率。因此连续方程的物理意义极为清楚,它表明,当物质体积元在运动中体积增大时( ),因质量守恒其密度要减小;运动中体积减小时( ),其密度要增大。

质量净流出率

(2)式还可改写为(3)式:

对于流体中一固定空间体积元而言, 代表每单位空间体积中流体质量的净流比率,这不难加以说明。事实上通过固定空间体积元 A 面(见图 2 )的质量流入率为

通过B面上质量的流出率为

故 x 方向上运动引起的质量净流出率为

y 和 z 方向上的运动引起的质量净流出率的表达式是类似的。所以从固定体积元中质量的净流出率为

单位体积中的质量净流出率为

因此,(3)式的物理意义也是清楚的,它表明,对于固定空间体积元而言,当有质量流入时( ),固定体积元的密度要增大;当有质量流出时( ),固定体积元的密度要减小。

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