Stokes流問題中的辛體系方法.pdf

1、在化學工程、環(huán)境工程、物理化學、生物力學、地球物理、氣象等領域中大量的問題歸結為粘性流體問題。因而近百年來對這個問題的研究一直沒有間斷，并且隨著其廣泛應用，近幾十年來發(fā)展成為了一個比較活躍的領域和方向。Stokes流是粘性流體問題的主要的和經(jīng)典的流動模型。在該問題的研究中，傳統(tǒng)的方法是在拉格朗日體系下歐幾里德空間中進行問題的求解，不可避免地帶來了高階偏微分方程的求解和邊界條件處理難等問題。因此針對此問題探討一種新的和有效的求解方法是必要

2、的。 本文從不可壓縮牛頓流體的本構方程和Stokes方程出發(fā)，借助于耗散能導出問題的哈密頓作用量，即拉格朗日函數(shù)，從而獲得哈密頓密度函數(shù)。進一步利用變分方程，建立了正則(對偶)方程組。這樣將辛體系(哈密頓體系)的理論引入到了平面和空間Stokes流問題中。在辛空間中，問題的求解歸結為正則方程的本征值與本征解的問題。利用本征解之間的辛共軛正交歸一關系和其完備性，原問題的解可以由本征解的線性組合表示。結合邊界條件可確定解析解和半解析

3、解，從而建立了一套辛體系求解方法。 本文以二維和三維問題的Stokes流問題作為首要研究對象，并對非定長小雷諾數(shù)流問題進行了探討。主要研究工作如下：首先，將辛體系引入到二維Stokes流問題中，并研究了板驅(qū)動流動、剪切流動、入口流動及二維管道流動等問題，得到了問題解的解析表達式，并進行了數(shù)值計算，給出了流場的速度、應力、壓強等的物理特性，同時還給出了流線圖、矢量圖。在分析了數(shù)值結果的基礎上，揭示了Stokes流的流動機理，特點及

4、流動的端部效應等現(xiàn)象。其次，將辛體系方法推廣到空間Stokes流問題中，并求解出零本征值本征解和非零本征值本征解。研究了空間問題中本征解之間特殊的辛正交共軛關系，給出了各階非零本征解的模態(tài)。研究了空間入口流問題中入口長度和入口半徑之間的關系曲線，得到一些規(guī)律。對端部旋轉板引起的空間流動問題也進行了研究和討論。最后，對非定常小雷諾數(shù)流問題進行了探討。 研究結果表明，對偶方程(正則方程)的本征解具有明確的物理意義：零本征值本征解描述