雷諾傳輸定理
雷諾傳輸定理也稱為萊布尼茲-雷諾傳輸定理或雷諾输运定理,是以積分符號內取微分聞名的萊布尼茲積分的三維推廣。
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雷諾傳輸定理得名自奧斯鮑恩·雷諾(1842–1912),用來調整積分量的微分,用來推導連續介質力學的基礎方程。
考慮在時變的區域積分,其邊界為,考慮上式對時間的微分:
若要求上述積分的導數,會有兩個問題,的時間相依性,及因動態的邊界而增加或減少的空間,雷諾傳輸定理提供了必要的框架。
通用型式
其中為向外的單位法向量,為區域中的一點,也是積分變數, 及是位於的體積元素及表面元素,為面積元素的速度而非流速。函數可以是張量、向量或純量函數[4]。注意等式左邊的積分只是時間的函數,所以採用全微分符號。
針對流體塊的形式
在連續介質力學中,此定理常用在沒有物質進來或離開的流體塊或固體中。若為一流體塊,則存在速度函數及邊界元素符合下式
上式在替代後,可以得到以下的定理[5]
針對一流體塊的證明 令為區域的參考組態,令其運動及形變梯度為
令. 則目前組態及參考組態的積分有以下的關係
That this derivation is for a material element is implicit in the time constancy of the reference configuration: it is constant in material coordinates. 針對體積積分的微分定義為
將上式轉換為對參考組態的積分,可得
因為和時間無關,可得
現在,的時間導數為 [6]
因此
其中為的材料導數,現在材料導數為
因此
或者
利用以下的恆等式
可得
利用高斯散度定理及恆等式 ,可得
錯誤的引用
此定理常被錯誤的引用為只針對物质体积(material volume)的形式,若將只針對物质体积應用於物质体积以外的區域中,就會出現問題。
特別形式
若不隨時間改變,則,且恆等式化簡為以下的形式
不過若用了不正確的雷諾傳輸定理,無法進行上述的簡化。
在一維下的詮釋及簡化
此定理是積分符號內取微分的高維延伸,有些情形下可以簡化為積分符號內取微分。假設和和無關,且為平面的單位方塊,且有及的極限,雷諾傳輸定理會簡化為
上述是由積分符號內取微分來的表示式,但x及t變數已經對調。
相關條目
- 積分符號內取微分
- 萊布尼茲積分律
腳註
- L. Gary Leal, 2007, p. 23.
- O. Reynolds, 1903, Vol. 3, p. 12–13
- J.E. Marsden and A. Tromba, 5th ed. 2003
- H. Yamaguchi, Engineering Fluid Mechanics, Springer c2008 p23
- T. Belytschko, W. K. Liu, and B. Moran, 2000, Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures, John Wiley and Sons, Ltd., New York.
- Gurtin M. E., 1981, An Introduction to Continuum Mechanics. Academic Press, New York, p. 77.
參考資料
- 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 .
外部連結
- Osborne Reynolds, Collected Papers on Mechanical and Physical Subjects, in three volumes, published circa 1903, now fully and freely