§2 -2 体系和控制体
在推导一维定常流的基本方程之前,我们必须首先明确关于体系和控制体的概念。
所谓体系,是指某些确定的物质集合。体系以外的物质称为环境。体系的边界定义为把体系和环境分开的假想表面,在边界上可以有力的作用和能量的交换,但没有质量的通过。体系的边界随着流体一起运动。
引用了体系的概念,在分析问题时,我们就可以把注意力放在所拟定的体系上,并考虑到体系与环境之间的相互作用。
在论述四个基本的物理定律并把它们写成应用的方程式形式时,必须首先明确体系,否则,在讲质量、动量、能量等这些术语时是不明确的。因此,四条基本的物理定律最初总是借助于“体系”来陈述的。
在气体动力学中,因为气体的运动是比较复杂的,所以对于任何有限长的时间,很难确定气体体系的边界,因此,采用体系的分析方法是不够方便的。
在气体动力学中,经常采用控制体的分析方法。所谓控制体①,是指为流体流过的、固定在空间的一个任意体积。占据控制体的流体是随时间而改变的。控制体的边界叫做控制面,它总是封闭表面。通过控制面,可以有流体流入或流出控制体。在控制面上可以有力的作用和能量的交换。引用了控制体的概念,在分析问题时,我们就可以把注意力放在所确定的控制体上,研究流体流过控制体时诸参数的变化情况,以及控制体内流体与控制体外物质的相互作用。根据所研究的问题不同,控制体可有种种不同的划定方法,有时可以划定有限尺寸的控制体,有时又必须划定无限小的控制体。
应该知道,体系的分析方法是与研究流体运动的拉格朗日法相适应的,而控制体的分析方法则是与研究流体运动的欧拉法相适应的。
为了实际应用控制体的概念,必须将四条基本物理定律改写成适用于控制体的而不是适用于体系的形式。因此,在下面我们推导基本方程时,总是把这些定律改写成适用于控制体的形式。
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