CFD最基本的數學概念：張量

2017-08-12  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

在CFD的學習中,最先接觸的無非就是張量、導數以及各種積分定律了。本文簡單介紹CFD中最基本的張量。

標量是一個單一的值,在任意的坐標系統中,標量都是單一的值(重復一遍)。其表示某一空間點和某一時間點具有單位的物理特性。典型的標量為流場溫度、質量分數。其和流場的位置以及某一時刻均有關。標量可用于對物理量的某1個特性進行追蹤。

矢量具有大小和方向,在任意的坐標系統中,矢量均具有三個分量。矢量可用于追蹤物理量的2個特性,例如大小和方向。CFD中最常見的矢量即為速度矢量。在三維坐標下其具有三個速度分量。且速度的模表示速度的大小。

如果我們要追蹤某個物理量的3個特性怎么辦?

張量不僅可以追蹤3個及3個以上特性。對于N階張量,其具有3^N個分量。例如,零階張量即為標量,一階張量即為矢量。

二階張量的典型例子即為應力以及形變率。

以應力舉例,在各大教科書中我們均會發現類似下面的定義:

其即為應力張量(應力)。它是一個二階張量,具有9個分量。對于應力張量我們可以追蹤3個特性:大小、方向、作用的平面。

以下圖為例:

作用于這個小正方體上面的應力張量具有上述9個分量。τ_yx是一個標量。其中的下標yx具有兩個含義,第一個下標y表示作用于和y坐標軸垂直的平面,第二個下標x表示作用于這個平面上的沿x方向的力。

通過應力張量的定義,對小正方體的任意的撕扯都會被表達!

1.對于某些情況下,張量是對稱的,也就是τ_yx=τ_xy,τ_yz=τ_zy,τ_zx=τ_xz。在這種情況下,我們就只有6個獨立分量。

2. 某些情況下,我們會發現分量為負值。這表示對小正方體向內的擠壓。正值表示對小正面體向外的拉伸。

那么問題來了,CFD中的壓力到底是標量還是矢量呢?

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