均勻靜止理想流體小振幅波連續(xù)性方程

現(xiàn)有一物體,密度\rho=\rho(x,y,z,t)埃跷,在一定作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)蕊玷,流速\overset{\rightarrow}{u}=u_{x}\overset{\rightarrow}{i}+u_{y}\overset{\rightarrow}{j}+u_{z}\overset{\rightarrow}{k}

分析上圖所示微元,根據(jù)質(zhì)量守恒定律弥雹,質(zhì)量變化量\Delta M等于各方向流入質(zhì)量之和集畅,首先考慮x方向上AB面的質(zhì)量流入情況:
M_{A}=dydz(\rho u_{x}-\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}\frac{1}{2}dx)dt

M_{B}=-dydz(\rho u_{x}+\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}\frac{1}{2}dx)dt

其中\mp\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}\frac{1}{2}dx為x方向上AB面相對(duì)于中點(diǎn)質(zhì)量流通密度的變化量,上兩式相加得到x方向上質(zhì)量變化量:
\Delta M_{x}=-\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}dxdydzdt=-\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}dVdt

各向相加得質(zhì)量變化量:
\Delta M=-(\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}+\frac{\partial\rho u_{y}}{\partial y}+\frac{\partial\rho u_{z}}{\partial z})dVdt

將質(zhì)量變化量替換為密度變化量表示:
\Delta\rho dV=-(\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}+\frac{\partial\rho u_{y}}{\partial y}+\frac{\partial\rho u_{z}}{\partial z})dVdt

\frac{\Delta\rho}{dt}=-(\frac{\partial\rho u_{x}}{\partial x}+\frac{\partial\rho u_{y}}{\partial y}+\frac{\partial\rho u_{z}}{\partial z})

\frac{\partial\rho}{\partial t}=-(\frac{\partial}{\partial x}\overset{\rightarrow}{i}+\frac{\partial}{\partial y}\overset{\rightarrow}{j}+\frac{\partial}{\partial z}\overset{\rightarrow}{k})(\rho\overset{\rightarrow}{u})

將右邊替換為散度或哈密頓算子的表達(dá)形式得連續(xù)性方程:
\frac{\partial\rho}{\partial t}=-div(\rho\overset{\rightarrow}{u})

\frac{\partial\rho}{\partial t}=-\bigtriangledown(\rho\overset{\rightarrow}{u})

均勻靜止理想流體中小振幅波的連續(xù)性方程
將流速與密度用初值加偏移量的形式表示:
\rho=\rho_{0}+\Delta\rho

\overset{\rightarrow}{u}=\overset{\rightarrow}{u}_{0}+\overset{\rightarrow}{\mu}

其中缅糟,均勻表示\rho_{0}為常數(shù)挺智,靜止表示u_{0}=0,帶入連續(xù)性方程得:
\frac{\partial(\rho_{0}+\Delta\rho_{})}{\partial t}=-\bigtriangledown(\rho_{0}\overset{\rightarrow}{\mu}+\Delta\rho\overset{\rightarrow}{\mu})

\frac{\partial\Delta\rho}{\partial t}=-(\rho_{0}\bigtriangledown\overset{\rightarrow}{\mu}+\overset{\rightarrow}{\mu}\bigtriangledown\Delta\rho+\Delta\rho\bigtriangledown\overset{\rightarrow}{\mu})

小振幅波表示流速窗宦、運(yùn)動(dòng)引起的密度變化量和兩者的一階導(dǎo)為一階小量赦颇,觀察上式可知,\rho_{0}\bigtriangledown\overset{\rightarrow}{\mu}為一階小量赴涵,\overset{\rightarrow}{\mu}\bigtriangledown\Delta\rho為二階小量媒怯,\Delta\rho\bigtriangledown\overset{\rightarrow}{\mu}為二階小量,因此后兩項(xiàng)相對(duì)于第一項(xiàng)可以忽略不記髓窜,得:
\frac{\partial\Delta\rho}{\partial t}=-\rho_{0}\bigtriangledown\overset{\rightarrow}{\mu}

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