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0. 前言
本系列旨在让读者流畅的理解计算流体力学的基础理论。
1. 路线
2. 数学基础
2.1. 偏导计算
和差法则
乘积法则
常数
2.2. 张量约定
张量约定也被称为爱因斯坦求和约定,这种数学表达形式十分简洁准确。
重复的下标要求和。
比如
不同的下标要独立。
比如
2.3. 张量计算
向量内积(inner product)
向量和张量内积
张量和向量内积
张量双内积(double inner product / dyadic product)
向量外积(outer product)
2.4. 梯度计算
梯度计算是一种升维。
标量的梯度计算
向量的梯度计算
2.5. 散度计算
散度计算是一种降维。
向量的散度计算
张量的散度计算
2.6. 混合计算
2.7. 矩阵分解
任何一个矩阵都可以分解成体部分(平均性)(hydrostatic)和偏部分(非平均性)(deviatoric)。
体部分的大小为对角线元素的总和,也是迹的计算
体部分矩阵为
也可以得到
为了帮助理解,我们以一个三维矩阵为例
该矩阵的迹为
该矩阵的体部分为
该矩阵的偏部分为
2.8. 高斯定理
高斯定理也被称为散度定理
体积边界上的通量积分等于体积内的散度积分,即
3. 建议
强烈建议读者亲自动手推导理论公式。
另外,要意识到理论学习和理解是一个反复迭代的过程。一个知识点查阅很多书,一本书看很多次,都是非常正常的现象。
建议读者遇到学习和理解的困难的时候,不要退缩,应广泛查阅,积极讨论,最后形成自己的输出。
References
[1] The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics, https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-16874-6
[2] Computational fluid dynamics : the basics with applications, https://searchworks.stanford.edu/view/2989631
[3] Mathematics, Numerics, Derivations and OpenFOAM®, https://holzmann-cfd.com/community/publications/mathematics-numerics-derivations-and-openfoam-free
[4] Notes on Computational Fluid Dynamics: General Principles, https://doc.cfd.direct/notes/cfd-general-principles/