流體力學

連續方程式

連續方程式是一條簡單的「記帳」規則:當流體被迫通過較窄的空間時會加速。用大拇指按住花園水管的出口,水就會噴得更快;看一條河在兩岸收窄處變急。它回答一個非常直覺的問題:如果同樣多的流體必須持續通過一根管子,當管子變細時它的速率會怎樣?

精確地說,對於穩定流動的不可壓縮流體,每秒通過任一截面的體積在各處必須相同,因為流體既不會被創造也不會被消滅,也無法堆積起來。這給出 A_1 v_1 = A_2 v_2,其中 A 是管子的截面積,v 是流體在該處的速率。乘積 A v,也就是體積流率,沿著管子保持定值。所以面積小的地方速率必定大,面積寬的地方速率就下降。

這其實就是質量守恆定律披上了流體的外衣,它支撐著從血液流過動脈、空氣流過通風管,到河水流過三角洲的一切。一個誠實的條件:乾淨的形式 A_1 v_1 = A_2 v_2 假設流體不可壓縮,且沒有東西漏進或漏出。對於被強烈壓縮的氣體,更一般的說法改為讓「質量流率」(密度乘面積乘速率)保持定值。

水在截面積 0.01 m^2 的管子裡以 1 m/s 流動。當管子縮小到 0.0025 m^2 時,連續方程式給出 v_2 = A_1 v_1 / A_2 = (0.01 × 1) / 0.0025 = 4 m/s,面積變四分之一,速率就快四倍。

把通道收窄,流體就按精確的比例加速,使 A v 保持定值。

整齊的形式 A_1 v_1 = A_2 v_2 假設流體不可壓縮且沒有洩漏。它就是質量守恆應用在流動上。

又稱
conservation of flowA v = constant連續方程