速度梯度

流体流动速度产生的渐变速度场

速度梯度,又称为剪率,指 流体 在两界面之间流动时,由于材料之间 摩擦力 的存在,使流体内部与流体和界面接触处的流动速度发生差别,产生一个渐变的速度场。当流体流过固体时,在其交界面处,流体会以一层静止薄膜附着在固体上,因此固体上流体速度为零。随着离开固体表面的距离增加,流体速度逐渐增大,形成速度梯度。

定义

速度梯度是理性力学中一个有关变形的时间的量,它定义为: 式中速度梯度L是二阶 张量 ;

表示把相对变形 梯度 对 进行一次 导数 并令 ; 是梯度 算符 ;υ是速度。把速度梯度进行加法分解(见张量),则

式中D和W为L的对称部分和反称部分,它们分别称为变形 速率 张量和转动速率张量。写成分量形式则为:

在理性力学中,研究n阶错综度里夫林-埃里克森 流体 (见里夫林-埃里克森 张量 )要用到n阶速度梯度的概念。把上面定义的速度梯度L看为一阶速度梯度,即

则n阶速度梯度可以写成:

它表示把相对变形 梯度 对 进行n次 导数 并令 的结果。

从物理上看,当流体在两界面之间流动时,由于材料之间 摩擦力 的存在,使流体内部与流体和界面接触处的流动速度发生差别,产生一个渐变的速度场,即为速度梯度,或称剪切 速率 。

关系

速度梯度的大小与 流体 内部 分子结构 、界面作用力及温度、速度等有关。当在流体中具有速度梯度时,流速大的流体具有加速与之接近的流速慢的流体的力(或流速小的流体具有减速与之接近的流速快的流体的力),即产生了黏性力,该力随速度梯度的加大而增大,而且流速不同的两流层接触面积越大这个力越大。