04_energyConservation
0. 前言
前面已经讨论了连续性方程和动量方程,我们也知道物理本质上是基于质量守恒和动量守恒的讨论。很多流动问题还要涉及能量变化的讨论,比如温度的变化。
能量方程的推导基于能量守恒。
本文主要讨论
- 能量方程的推导
- 不同角度的推导
- 理解数学表达的物理意义
1. 分量形式

假设我们取一个无穷小物质体微元模型,可以建立控制体系统的守恒。
物质体微元内能量的变化率 A = 单位时间流入微元的净热流量 B + 体积力和表面力对微元做功的功率 C
1.1. 外力做功
前文已经讨论过外力包括体积力和表面力
讨论体积力做功,功率为
讨论表面力做功
以 方向为例,约定力沿着坐标轴正向做正功,相反做负功。
压力做功功率为
粘性力做功功率为
综合各个方向的受力做功,最终得到 C 为
1.2. 热量流量
体积加热,如吸收和释放的辐射热
温度梯度导致的经过表面的热输运,即热传导
以 方向为例考虑热传导为
热传导的总加热为
综合各项,流入微元的净热流量 B 为
根据傅里叶热传导定律有
最终
1.3. 能量变化
微元的总能量包括动能和内能两部分。一部分是分子随机运动而产生的内能,另一部分就是流体微团的动能。
即
1.4. 能量方程
根据守恒形式
即
考虑重力为主要体积力
通用形式的能量方程
后面的讨论把右侧几项都纳入源项 。
1.5. 动能和内能
由动量方程 方向的受力分析式
两边同时乘以 ,整理可以得到
而
从能量方程中减去所有方向的动能项,可以得到只有内能的能量方程
Tip
注意该形式的能量方程不包含体积力项,应力在速度梯度之外
切应力具有对称形
有
利用前文讨论过的斯托克斯的流体物性关系
内能能量方程进一步可以改写成完全流场变量表示的能量方程,即
完整形式的能量方程当然也可以代入物性关系进行整理。
1.6. 守恒和非守恒
注意到上文讨论的方程是非守恒形式。
根据【物质导数换算】,有
可以将前文非守恒型方程改成守恒型方程
使用广义源项,整理为通用形式能量方程为
2. 张量形式
物质体流体微团的能量为
有
根据热力学第一定律,
能量的变化 = 吸收的热量 - 系统对外做的功
2.1. 吸收热量
内部产生和消失的
增加为正,减少为负。此处为正,即热量增加。
此外还有通过表面输运的
沿着面法向向外为正,向内为负。此处负号表示热量流入物质体,即热量增加。
2.2. 对外做功
对外做功包括体积力和表面力两部分的做功。
体积力做功,有
体积力做功加负号,就是物质体通过体积力对外做功。
表面力做功,有
Tip
记得之前讨论过,使用 表示总应力张量(total stress tensor)(完整包含单位面积的压力和单位面积的粘性力)
面积力沿着法向向外为正,向内为负。面积力做功加负号,就是物质体通过面积力对外做功。 利用动量方程中对表面力的讨论,得到
利用张量计算法则,得到
2.3. 能量方程
将上述代入
根据【雷诺输运定理】
有
拿去相同的积分,得到
【完整能量方程】
我们将动能部分去除以得到内能表达形式的能量方程。
考虑动量方程(动量方程一文已经讨论过)
有
根据张量计算关系,整理有
进一步整理为
外力为
代入之后整理,两边同时除以 2 ,
利用张量计算关系有
将总能量方程减去此基于动能的能量方程,得到基于内能的能量方程,为
2.4. 温度方程
考虑焓的表达
代入基于内能的能量方程,有
Tip
能量方程很少求解完整形式,往往因具体问题采用不同的形式,为了保证理解,本阶段暂不深入。不用担心,以后遇到会在合适的时候继续讨论。
这里直接给出温度相关的能量方程为
3. 小结
本文完成讨论
- 能量方程的推导
- 不同角度的推导
- 理解数学表达的物理意义
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/