유체 역학 에서 스톡스 스트림 기능은 축대칭으로 3차원 비압축 유량 으로 흐름 과 유속 을 기술하는 데 사용된다. 스톡스 스트림 함수의 일정한 값을 갖는 표면은 흐름 속도 벡터에 접하는 모든 곳에서 스트림튜브 를 둘러싸고 있다. 또한 이 스트림튜브 내의 볼륨 플럭스 는 일정하며, 흐름의 모든 스트림이 이 표면에 위치한다. 스톡스 스트림 기능과 관련된 속도장 은 솔레노이드(solidoal )로, 분기 가 0이다. 이 하천 기능은 조지 가브리엘 스톡스 를 기리기 위해 명명되었다.
원통좌표 원통형 좌표계 (ρ , φ , z )를 고려한다. z축 은 압축 불가능한 흐름이 축대칭인 선, az 방위각 및 ρ z축 까지의 거리를 나타낸다. 다음으로 유속 성분 u 와ρ u 를z 스톡스 스트림 함수 function[\displaystyle \Psi } 의 관점에서 표현하면 다음과 같다 .[1]
u ρ = − 1 ρ ∂ Ψ ∂ z , u z = + 1 ρ ∂ Ψ ∂ ρ . {\displaystyle {\begin{aligned}u_{\rho }&=-{\frac {1}{\rho }}\,{\frac {\partial \Psi }{\partial z}},\\u_{z}&=+{\frac {1}{\rho }}\,{\frac {\partial \Psi }{\partial \rho }}. \end{정렬}}} 방위 속도 구성 요소φ u는 스트림 기능에 의존하지 않는다. 축대칭 때문에 세 가지 속도 성분(uρ , uφ , uz )은 모두 방위각 not 이 아닌 ρ 과 z 에만 의존한다.
스톡스 스트림 함수의 일정한 값 ψ 으로 경계된 표면을 통과하는 부피 플럭스는 2㎛ to 과 같다.
구형좌표 구형 좌표 (r , θ , φ )에서 r 은 원점 으로부터의 방사상 거리 , θ 은 정점각 , φ 은 방위각 이다. 축대칭 흐름에서 θ = 0 회전 대칭 축으로, 흐름을 설명하는 수량은 방위 φ 과 다시 독립적이다. 유속r 구성 요소θ u 및 u는 다음을 통해 스톡스 스트림 기능 ψ {\displaystyle \Psi } 과(와) 관련된다.[2]
u r = + 1 r 2 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ , u θ = − 1 r 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ r . {\displaystyle {\begin{aligned}u_{r}&=+{\frac {1}{r^{2}\,\sin \theta }}\,{\frac {\partial \Psi }{\partial \theta }},\\u_{\theta }&=-{\frac {1}{r\,\sin \theta }}\,{\frac {\partial \Psi }{\partial r}}. \end{정렬}}} 다시 말해 방위 속도 성분 u 는φ 스톡스 스트림 함수 ψ 의 기능이 아니다. 상수 ψ 의 표면으로 경계된 하천관을 통한 부피 유량은 전과 같이 2 ψ 과 같다.
보르티시티 vorticity 는 다음과 같이 정의된다.
ω = ∇ × u = ∇ × ∇ × ψ {\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}=\nabla \times {\boldsymbol {u}}=\nabla \times \nabla \times {\boldsymbol {\psi }}} , where ψ = − Ψ r sin θ ϕ ^ , {\displaystyle {\boldsymbol {\psi }}=-{\frac {\Psi }{r\sin \theta }}{\boldsymbol {\hat {\phi }}},} ϕ ^ {\ displaystyle {\ displaysymbol {\hat {\\ phi }}}}}} 방향의 단위 벡터.
Stokes 스트림 함수를 사용한 vorticity Ω {\ displaystyle {\boldsymbol {\omega }} 의 파생 정의한 대로 vorticity를 고려하십시오. ω = ∇ × u . {\displaystyle {\\symbol {\omega}}=\bla \bla \bmbol {u}. } 구형 좌표에서의 컬 의 정의로부터:
ω r = 1 r 죄를 짓다 θ ( ∂ ∂ θ ( u ϕ 죄를 짓다 θ ) − ∂ u θ ∂ ϕ ) r ^ , ω θ = 1 r ( 1 죄를 짓다 θ ∂ u r ∂ ϕ − ∂ ∂ r ( r u ϕ ) ) θ ^ , ω ϕ = 1 r ( ∂ ∂ r ( r u θ ) − ∂ u r ∂ θ ) ϕ ^ . {\displaystyle{\begin{정렬}\omega _{r}&, =ᆫ\left({\partial \over\partial \theta}\left(u_{\phi}\sin\theta \right)-{\partial u_{\theta}\over\partial \phi}\right){\boldsymbol{\hat{r}}},\\\omega _{\theta}&, ={r1\over}\left({1\over\sin \theta}{\partial u_{r}\over\partial \phi}-{\partial \over\partial가 r}\left(r u_{\phi }\right)\right){\boldsymbol {\hat {\theta }}},\\\omega _{\phi }&={1 \over r}\left({\partial \over \partial r}\left(ru_{\theta }\right)-{\partial u_{r} \over \partial \theta }\right){\boldsymbol {\hat {\phi }}}. \end{정렬}}} 먼저 r {\displaystyle r } 및 { {\displaystyle \theta } 구성 요소가 0과 같다는 점에 주의하십시오. 두 번째로 u r {\ displaystyle u_{r} 와 u θ {\ displaystyle u_{\theta }} 을(를) Ω 으로 대체한다. {\displaystyle \omega_{\pi }} 결과 :
ω r = 0 , ω θ = 0 , ω ϕ = 1 r ( ∂ ∂ r ( r ( − 1 r 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ r ) ) − ∂ ∂ θ ( 1 r 2 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ ) ) . {\displaystyle{\begin{정렬}\omega _{r}&,=0,\\\omega _{\theta}&,=0,\\\omega _{\phi}&, =ᆭ\left({\partial \over\partial r}\left(r\left(-{\frac{1}{r\sin \theta}}{{\partial \Psi}{\partial r}}\right\frac)\right)-{\partial \over\partial \theta}\left({\frac{1}{r^{2}\sin \theta}}{\frac{\partial \Psi}{\theta\partial}}\r.밤)\right) .\end{정렬}}} 다음으로 다음과 같은 대수학을 수행한다.
ω ϕ = 1 r ( − 1 죄를 짓다 θ ( ∂ ∂ r ( ∂ Ψ ∂ r ) ) − 1 r 2 ∂ ∂ θ ( 1 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ ) ) = 1 r ( − 1 죄를 짓다 θ ( ∂ 2 Ψ ∂ r 2 ) − 죄를 짓다 θ r 2 죄를 짓다 θ ∂ ∂ θ ( 1 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ ) ) = − 1 r 죄를 짓다 θ ( ∂ 2 Ψ ∂ r 2 + 죄를 짓다 θ r 2 ∂ ∂ θ ( 1 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ ) ) . {\displaystyle {\begin{aligned}\omega _{\phi }&={1 \over r}\left(-{\frac {1}{\sin \theta }}\left({\partial \over \partial r}\left({\frac {\partial \Psi }{\partial r}}\right)\right)-{\frac {1}{r^{2}}}{\partial \over \partial \theta }\left({\frac {1}{\sin \theta }}{\frac {\partial \Psi }{\partial \theta }}\right)\right) \\&, =ᆪ\left(-{\frac{1}{\sin \theta}}\left({\frac{\partial ^{2}\Psi}{\partial r^{2}}}\right)-{\frac{\sin \theta}{r^{2}\sin \theta}}{\partial \over\partial \theta}({\frac{1}{\theta}}{{\partial \Psi}{\partial \theta}\frac}\right\sin)\right)\\&, =-{\frac{1}{r\sin \theta}}\left(}{\frac{\partial ^{2}\Psi{\partial가 r^{2}}}와{ \frac {\sin \theta }{r^{2}}:{\partial \over \partial \partial \theta }\좌({\frac {1}{\sin \partial \psi }{\partial \teta }\right)\right)). \end{정렬}}}
그 결과, 계산 결과, vorticity 벡터는 다음과 같은 것으로 밝혀졌다.
ω = ( 0 0 − 1 r 죄를 짓다 θ ( ∂ 2 Ψ ∂ r 2 + 죄를 짓다 θ r 2 ∂ ∂ θ ( 1 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ ) ) ) . {\displaystyle {\\symbol {\omega}={\\pmatrix}0\\[1ex]0 \\[1ex]\displaystyle -{\frac {1}{r\sin \theta }}\left({\frac {\partial ^{2}\Psi }{\partial r^{2}}}+{\frac {\sin \theta }{r^{2}}}{\partial \over \partial \theta }\left({\frac {1}{\sin \theta }}{\frac {\partial \Psi }{\partial \theta }}\right)\right)\end{pmatrix}}. } 원통형과의 비교 원통형 및 구형 좌표계는 다음을 통해 관련된다.
z = r cos {\ displaystyle z=r\,\cos \theta \,} 및 ρ = r sin sin . {\ displaystyle \rho=r\,\sin \theta .\,}
반대 기호가 있는 대체 정의 일반 스트림 함수 기사에서 설명한 바와 같이, 스톡스 스트림 기능과 유속 간의 관계에 대한 반대 기호 규약을 사용하는 정의도 사용되고 있다.[3]
영분산 원통형 좌표에서 속도장 u 의 차이 는 다음과 같이 된다.[4]
∇ ⋅ u = 1 ρ ∂ ∂ ρ ( ρ u ρ ) + ∂ u z ∂ z = 1 ρ ∂ ∂ ρ ( − ∂ Ψ ∂ z ) + ∂ ∂ z ( 1 ρ ∂ Ψ ∂ ρ ) = 0 , {\displaystyle{\begin{정렬}\nabla \cdot{\boldsymbol{마}}&={\frac{1}{\rho}}{\frac{\partial}{\rho\partial}}{\Bigl(}\rho{\rho}{\Bigr\,u_)}+{\frac{\partial u_{z}}{z\partial}}\\&, ={\frac{1}{\rho}}{\frac{\partial}{\rho\partial}}\left(-{\frac{\partial \Psi}{z}\partial}\right)+{\frac{\partial}{z\partial}}\left({\frac{1}.{\rho}} {\frac {\partial \Psi }{\partial \rho }}}\오른쪽)=0,\end{arged}}} 압축할 수 없는 흐름의 예상대로
구면 좌표:[5]
∇ ⋅ u = 1 r 죄를 짓다 θ ∂ ∂ θ ( u θ 죄를 짓다 θ ) + 1 r 2 ∂ ∂ r ( r 2 u r ) = 1 r 죄를 짓다 θ ∂ ∂ θ ( − 1 r ∂ Ψ ∂ r ) + 1 r 2 ∂ ∂ r ( 1 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ ) = 0. {\displaystyle{\begin{정렬}\nabla \cdot{\boldsymbol{마}}&={\frac{1}{r\,\sin \theta}}{\frac{\partial}{\theta\partial}}(u_{\theta}\,\sin\theta)+{\frac{1}{r^{2}}}{\frac{\partial}{r\partial}}{\Bigl(}r^{2}\,u_{r}{\Bigr)}\\&, ={\frac{1}{r\,\sin \theta}}{\frac{\partial}{\theta\partial}}\left(}-{\frac{1}{r}{\frac{\partial. \Psi}{) 부분 r}\오른쪽)+{\frac {1}{r^{2}}:{\frac {\partial r}{\partial r}}\왼쪽({\frac {1}{\sin \partial \psi }{\partial \theta }}}}{\partial \partial \오른쪽)=0. \end{정렬}}}
연속 스트림 함수의 곡선으로 축척 미적분학에서는 그라데이션 벡터 ∇ ∇ ∇{\displaystyle \nabla \PSI } 이(가 ) c = C {\displaystyle \PSI =C} 곡선에 대해 정규적인 것으로 알려져 있다( 예: 참조). 레벨 세트#레벨 세트 대 그라데이션 ). If it is shown that everywhere u ⋅ ∇ Ψ = 0 , {\displaystyle {\boldsymbol {u}}\cdot \nabla \Psi =0,} using the formula for u {\displaystyle {\boldsymbol {u}}} in terms of Ψ , {\displaystyle \Psi ,} then this proves that level curves of Ψ {\displaystyle \Psi } are streamlines.
원통좌표 원통형 좌표에서는
∇ Ψ = ∂ Ψ ∂ ρ e ρ + ∂ Ψ ∂ z e z {\displaystyle \nabla \Psi ={\partial \Psi \over \partial \rho }{\boldsymbol {e}}_{\rho }+{\partial \Psi \over \partial z}{\boldsymbol {e}}_{z}} . 그리고
u = u ρ e ρ + u z e z = − 1 ρ ∂ Ψ ∂ z e ρ + 1 ρ ∂ Ψ ∂ ρ e z . {\displaystyle {\boldsymbol {u}}=u_{\rho }{\boldsymbol {e}}_{\rho }+u_{z}{\boldsymbol {e}}_{z}=-{1 \over \rho }{\partial \Psi \over \partial z}{\boldsymbol {e}}_{\rho }+{1 \over \rho }{\partial \Psi \over \partial \rho }{\boldsymbol {e}}_{z}. } 하도록
∇ Ψ ⋅ u = ∂ Ψ ∂ ρ ( − 1 ρ ∂ Ψ ∂ z ) + ∂ Ψ ∂ z 1 ρ ∂ Ψ ∂ ρ = 0. {\displaystyle \nabla \Psi \cdot {\boldsymbol {u}}={\partial \Psi \over \partial \rho }(-{1 \over \rho }{\partial \Psi \over \partial z})+{\partial \Psi \over \partial z}{1 \over \rho }{\partial \Psi \over \partial \rho }=0. } 구형좌표 그리고 구면 좌표에서
∇ Ψ = ∂ Ψ ∂ r e r + 1 r ∂ Ψ ∂ θ e θ {\displaystyle \nabla \psi = {\partial \over \partial r}{\boldsymbol{e}}}+{1\partial \psi \partial \partial \theta }{\boldsymbol{e}}}}}}}}{\partytime }}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} 그리고
u = u r e r + u θ e θ = 1 r 2 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ e r − 1 r 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ r e θ . {\displaystyle {\boldsymbol {u}}=u_{r}{\boldsymbol {e}}_{r}+u_{\theta }{\boldsymbol {e}}_{\theta }={1 \over r^{2}\sin \theta }{\partial \Psi \over \partial \theta }{\boldsymbol {e}}_{r}-{1 \over r\sin \theta }{\partial \Psi \over \partial r}{\boldsymbol {e}}_{\theta }.} 하도록
∇ Ψ ⋅ u = ∂ Ψ ∂ r ⋅ 1 r 2 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ θ + 1 r ∂ Ψ ∂ θ ⋅ ( − 1 r 죄를 짓다 θ ∂ Ψ ∂ r ) = 0. {\displaystyle \nabla \Psi \cdot {\boldsymbol {u}}={\partial \Psi \over \partial r}\cdot {1 \over r^{2}\sin \theta }{\partial \Psi \over \partial \theta }+{1 \over r}{\partial \Psi \over \partial \theta }\cdot {\Big (}-{1 \over r\sin \theta }{\partial \Psi \over \partial r}{\Big )}=0. } 메모들 ^ 배첼러(1967), 페이지 78. ^ 배첼러(1967), 페이지 79. ^ 예시 Brenner, Howard (1961). "The slow motion of a sphere through a viscous fluid towards a plane surface". Chemical Engineering Science . 16 (3–4): 242–251. doi :10.1016/0009-2509(61)80035-3 . ^ 배첼러(1967), 페이지 602. ^ 배첼러(1967), 페이지 601.
참조