物理学 > 流体动力学
[提交于 2025年8月30日
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标题: 流体微元旋转和内在涡度分解的一般运动学理论
标题: A general kinematic theory of fluid-element rotation and intrinsic vorticity decompositions
摘要: 本研究提出了一种通用的运动学理论,用于流体元旋转和内在涡量分解,该理论是在涡量和涡旋动力学的背景下提出的。 材料线和表面元的角速度包括由体积元旋转驱动的经典贡献(等于局部涡量的一半),以及由应变率引起的特定角速度。 然后,构建了两种方向依赖的涡量分解(DVD),揭示了涡量的刚性旋转和自转模式。 我们推导了正交线-表面元对的内在耦合关系,阐明了它们互补的运动学和几何作用。 值得注意的是,我们严格证明了基于表面元的DVD中的自转模式与广义Caswell公式中的相对涡量相同,从而准确地考虑了牛顿流体中的表面剪切应力。 接下来,在场论框架下,利用微分几何提出了基于流线和流面的涡量分解。 通过与DVD、Caswell公式和Helmholtz-Hodge分解的统一分析,明确了特征代数描述中六个旋转不变量的物理作用(包括速度梯度张量(VGT)的正常-幂零分解(NND)及其产生的不变涡量分解(IVD))。 ... 发现物理允许的DVD涡量模式在相空间中必须被IVD模式所限制,而强制最小化原理自然得出Liutex公式。 最后,该理论的有效性在各种流动中得到了验证,从简单的到复杂的流动。 结果表明,耦合的IVD-DVD分析可以在代数和场论框架下增强对复杂涡旋流动的物理理解。
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