速度微分 (differential of velocity) 可以表示为矢径微分 (differential of position vector) 与速度梯度 (gradient of velocity) 的点乘之积:
其中速度梯度是一个二阶张量:
它可以分解为应变率张量 (tensor of strain rate) 与角速度张量 (tensor of angular velocity) 之和:
反对称的角速度张量只有三个独立分量:
利用这三个独立分量,可以人为构造一个三维角速度矢量 (vector of angular velocity):
可以证明:
积分型 | 微分型 | |
---|---|---|
守恒型 | ||
非守恒型 |
其中
于是动量守恒定律可以改写为
在(不考虑分布力偶的)流体力学中,它等价于应力张量或黏性应力张量的对称性:
其中
将守恒定律整理成矩阵(方程组)形式,即得 Navier–Stokes 方程组:
其中
利用控制体上的物质导数的展开式,并引入通量 (flux) 矩阵
即得守恒型积分方程组:
对其中的面积分应用 Gauss 散度定理,即得守恒型微分方程组:
它在三维直角坐标系中的分量形式为
注意到守恒项
故守恒型积分方程组中的物质导数可移入积分号内,由此即得非守恒型积分方程组:
相应地有非守恒型微分方程组:
它在三维直角坐标系中的分量形式为
守恒律方程(组)的微分形式:
可借助于测函数
分部积分,即得守恒律方程(组)的弱形式 (weak form):
选定两组线性独立的基函数 (basis functions):
在由其张成在试函数空间 (space of trial functions) 与测函数空间 (space of test functions) 中,分别寻找未知函数
将上述近似代入弱形式,并利用
其中
将积分区域取为单元及其边界,即得有限单元法 (finite element methed, FEM)。
为避免频繁对
以上讨论可推广到方程组:
其中