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旋转流体力学

/rotating fluid mechanics/
条目作者徐丰马佳
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徐丰

马佳

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最后更新 2022-01-20
浏览 170
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在旋转坐标系下,研究流体的平衡、运动以及流体与固体相对运动时相互作用规律的科学。

英文名称
rotating fluid mechanics
所属学科
力学

作为流体力学的一个分支,流体力学中的连续介质假设、黏性应力假设、质量、动量、能量守恒等同样适用于旋转流体力学。旋转流体力学的研究方法是在旋转坐标系中,基于纳维-斯托克斯方程,通过引入科里奥利力来刻画具体的流体运动。这里的科里奥利力来自物体运动所具有的惯性。也就是说,原来做直线运动的流体团在旋转坐标系中会发生偏转,因这种偏离所产生的附加惯性力称为科里奥利力。科里奥利力所产生加速度的表达式为:


式中为流体的运动速度矢量;为旋转坐标系的转动速度矢量。科里奥利力的引入可极大地简化旋转体系下流动研究的处理方式。

随着人类对天气预报、航海活动的需求不断增长,自17世纪始,地球上自然界的流体运动如大气及海洋等大尺度流动已吸引了许多科学家的研究兴趣。在考虑这些大尺度运动现象时,地球旋转效应是必须考虑的因素,并因此积累起旋转流体力学的许多早期研究成果。1835年法国数学及力学家G.G.科里奥利在研究旋转机械流动中,引入了一个刻画这种旋转效应的假想力,后来被称为科里奥利力。这种处理方式给旋转体系下的流体运动描述带来了方便,因此,在旋转机械流动研究和实践中得到了广泛的应用,同时也促进了大气及海洋科学研究的发展。

旋转流体力学主要研究由科里奥利力或耦合科里奥利力的力系所驱动的流体运动现象,特别是旋转系统中的流体运动对无量纲参数如罗斯比数、埃克曼数等的依赖及相应规律,包括大尺度的大气及海洋环流、准地转流、气旋、反气旋、泰勒柱、罗斯比波、埃克曼效应、海洋环流西部强化等。泰勒-普劳德曼定理也是重要的理论成果之一。

旋转流体力学的研究成果促进了大气和海洋动力学的发展,为这两个学科奠定了严谨的理论基础,特别是加深了对大尺度的地球物理现象的认识。例如,1893~1896年,挪威海洋调查船“前进”号横越北冰洋时,F.南森观察到冰山不是顺风漂移,而是沿着向右方20°~40°的方向移动。 1905年,V.W.埃克曼在理想化的无边界、无限深和密度均匀海洋的假定下,解释了这一现象。因海面受稳定的风长时间吹刮,出现铅直湍流而产生摩擦力,其与地转偏向力平衡时出现的海流可解释上述现象,这就是埃克曼漂流理论。除了在地球物理研究领域中的广泛应用外,旋转流体理论也在研究旋转机械流体运动中扮演着重要角色,可在水泵、旋风分离器、喷气发动机和各种航天器等的工程设计中得到应用。

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