纳维-斯托克斯方程(N-S方程)详细推导

纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)名称由来Navier-Stokes equations描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。

简称N-S方程。

因1821年由C.-L.-M.-H.纳维和1845年由G.G.斯托克斯分别导出而得名。

该方程是可压缩流体的N-S方程。

其中，Δ是拉普拉斯算子；ρ是流体密度；pN-S方程意义后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。

N-S方程反映了粘性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。

它是一个非线性偏微分方程，求解非常困难和复杂，目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解；但在有些情况下，可以简化方程而得到近似解。

例如当雷诺数Re1时，绕流物体边界层外，粘性力远小于惯性力，方程中粘性项可以忽略，N-S方程简化为理想流动中的欧拉方程（=－Ñp+ρF）；而在边界层内，N-S方程又可简化为边界层方程，等等。

在计算机问世和迅速发展以后，N-S方程的数值求解才有了很大的发展。

基本假设在解释纳维-斯托克斯方程的细节之前，首先，必须对流体作几个假设。

第一个是流体是连续的。

这强调它不包含形成内部的空隙，例如，溶解的气体的气泡，而且它不包含雾状粒子的聚合。

另一个必要的假设是所有涉及到的场，全部是可微的，例如压强P，速度v，密度，温度Q，等等。

该方程从质量，动量，和能量的守恒的基本原理导出。

对此，有时必须考虑一个有限的任意体积，称为控制体积，在其上这些原理很容易应用。

该有限体积记为\Omega，而其表面记为\partial\Omega。

该控制体积可以在空间中固定，也可能随着流体运动。

纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），以克劳德-路易·纳维(Claude-Louis Navier)和乔治·盖伯利尔·斯托克斯命名，是一组描述象液体和空气这样的流体物质的方程。

黏性流体动量平衡方程−纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations ） 1.动量平衡的定义流体在流动过程中遵守能量守恒定律，称为能量平衡根据牛顿第二定律：⎩⎨⎧≠∑=∑，运动，动力平衡，静止，静力平衡0F 0F 作用力的合力 = 单位时间内动量的变化量作用力形式 动量形式[动量传入量] - [动量传出量] +[系统作用力的总和] = [动量蓄积量][动量传入量] - [动量传出量] + [系统作用力的总和] = 0稳定流动系统：不稳定流动系统：动量收支差量动量收支差量⒉ 动量传递方式1 黏性动量传输dydv x yx μτ-= 2 对流动量传输对流动量传输vvρ⒊ 作用力的形式体积力表面力压力重力作用力⒋ 动量平衡方程的推导元体分析法牛顿第二定律分析法建立方法建立依据在直角坐标系中由于有三个方向的分速度，所以共有九个动量通量。

⎪⎩⎪⎨⎧⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅zz yz xz z y y y x y z x y x xx v v v v v v v v v v v v v v v v v ρρρρρρρρρv 以v x动量通量收支差量⑴ 对流动量收支差量x 方向的速度、x 方向的动量通量对流动量收支差量为同理，以v x 为准，y 方向、z 方向的对流动量收支差量：以v x 为准，元体对流动量收支差量为同理，以v y 、v z 为准，元体对流动量收支差量为 v x → v y 、v z⑵黏性动量收支差量黏性动量通量同样由九个分量组成以v x为准，C、D黏性动量通量收支差量黏性动量收支差量同理，v x在y、x以v x为准，元体黏性动量收支差量为同理，以⑶作用力的总和zxgxddydρzxgyddydρzxgzddydρx方向：P Ax方向合压力为x方向的总压力为同理，y、z方向的总压力为x →y、z重力⑷ 动量蓄积量z 方向x 方向y 方向 单位时间内元体动量的变化量[动量传入量] - [动量传出量] +[系统作用力的总和] = [动量蓄积量]⒌ 动量平衡方程式将以上式子代入下式，整理得：N-S 方程简化：const=ρ，连续性方程⑵const=μ，牛顿黏性定律⑴动量收支差xx x x x x x x g x p zv y v x v z v v y v v x v v v ρμτρ+∂∂-∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂)()(222222z y x yy y y y y y y g xp zv yv xv zv v yv v xv v v ρμτρ+∂∂-∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂)()(222222zyxzz z z z z z z g xp zv yv xv zv v yv v xv v v ρμτρ+∂∂-∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂)()(222222zyx黏性力引起压力 体积力积累动量收支差量⒍ 动量平衡方程的讨论x2x 22x 22x 2x z x y x x x g x P z v y v x v z v y v v x v v ρμτρ+∂∂-⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂+∂∂v v 对流动量动量蓄积量黏性动量压重（1）方程的物理意义：运动的流体能量守恒的表现⎩⎨⎧作用力形式动量形式z zv y y v x x v v v d d d d d ⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂=ττz y x v zv v y v v x v v ⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂+∂∂=v d d ττz y x v zvv y v v x v v a ⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂+∂∂=τz x y x x x x x v zvv y v v x v v a ⋅∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂+∂∂=τ全微分)z ,y ,x ,(v v τ=x2x 22x 22x 2g x Pz v y v xv ρμρ+∂∂-⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂=xa y 2y 22y 22y2g Pz v y v xv ρμρ+∂∂-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂=ya y z 2z 22z 22z 2g Pz v y v xv ρμρ+∂∂-⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂=z az惯性力黏性力压力重力流体在运动中以作用力及动量形式表现能量平衡 关系是统一的⑵ 适用条件黏性流体、不稳定流动、不可压缩流体(元体范围内)、层流流动理想流体：=μ没有黏性的流体简化： 0v =∂∂τ② 稳定流动， ③ 单位质量流体 0=μ①时，N-S 方程简化为欧拉方程理想流体、稳定流动、不可压缩流体(元体范围内)流动微分方程的应用求解步骤(1)根据问题特点对一般形式的运动方程进行简化，获得针对具体问题的微分方程或方程组。

很多人一听到N-S 方程就有点头皮发麻，因为涉及到流体力学的知识比较多，如果没有一个完整有逻辑的思路，理解N-S 方程是有点困难。

其中涉及到欧拉法，场论，随体导数，流体力学连续性方程（即质量守恒方程），流体力学N-S 方程（即动量方程），动量方程在流体力学中有两种，一种是理想流体动量方程，一种是粘性流体动量方程，粘性流体的动量方程也叫纳维-斯托克斯方程，也简称N-S 方程。

我试图想把N-S 方程弄清楚点，所以写了一点东西，分享一下。

首先要讲一下流体力学的欧拉法，在课本中还讲了拉格朗斯法，因为连续性方程和N-S 方程是用欧拉法得出的，和拉格朗日法没什么关系。

我就不讲拉格朗日法，以免产生混乱。

欧拉方法的着眼点不是流体质点而是空间点。

设法在空间中的每一点上描述出流体运动随时间的变化状况。

如果每一点的流体运动都已知道，则整个流体的运动状况也就清楚了。

欧拉方法中流体质点的运动规律数学上可表示为下列矢量形式：假设空间一点的坐标(x,y,z,t)，其中x,y,z 是该空间的坐标，t 是此刻时间。

u,v,w 是这一空间点的三个方向速度。

p,ρ,T 是这一空间点的压力，密度和温度。

这样就有了每一个点的速度，压力，密度，温度，就可以描述运动流体的状态。

这里需要强调一点的是下面这六个式子，可以换一个角度把他们看成方程，对后面理解连续性方程和N-S 方程有帮助，比如u=x+2y+3z),,,();,,,();,,,();,,,();,,,();,,,(t z y x T T t z y x t z y x p p t z y x w w t z y x v v t z y x u u ======ρρ因为后面需要随体导数的概念，还需要把速度函数表示成矢量的形式。

前面u,v,w 是标量，是ν在(x,y,z,t)直角坐标系三个方向的速度。

),(t rνν=M 点（x,y,z,t ），速度为),(t M ν ，过了t ∆之后，在M '点，速度为),(t t M ∆+'ν。

很多人一听到N-S 方程就有点头皮发麻，因为涉及到流体力学的知识比较多，如果没有一个完整有逻辑的思路，理解N-S 方程是有点困难。

其中涉及到欧拉法，场论，随体导数，流体力学连续性方程（即质量守恒方程），流体力学N-S 方程（即动量方程），动量方程在流体力学中有两种，一种是理想流体动量方程，一种是粘性流体动量方程，粘性流体的动量方程也叫纳维-斯托克斯方程，也简称N-S 方程。

我试图想把N-S 方程弄清楚点，所以写了一点东西，分享一下。

首先要讲一下流体力学的欧拉法，在课本中还讲了拉格朗斯法，因为连续性方程和N-S 方程是用欧拉法得出的，和拉格朗日法没什么关系。

我就不讲拉格朗日法，以免产生混乱。

欧拉方法的着眼点不是流体质点而是空间点。

设法在空间中的每一点上描述出流体运动随时间的变化状况。

如果每一点的流体运动都已知道，则整个流体的运动状况也就清楚了。

欧拉方法中流体质点的运动规律数学上可表示为下列矢量形式：假设空间一点的坐标(x,y,z,t)，其中x,y,z 是该空间的坐标，t 是此刻时间。

u,v,w 是这一空间点的三个方向速度。

p,ρ,T 是这一空间点的压力，密度和温度。

这样就有了每一个点的速度，压力，密度，温度，就可以描述运动流体的状态。

这里需要强调一点的是下面这六个式子，可以换一个角度把他们看成方程，对后面理解连续性方程和N-S 方程有帮助，比如u=x+2y+3z),,,();,,,();,,,();,,,();,,,();,,,(t z y x T T t z y x t z y x p p t z y x w w t z y x v v t z y x u u ======ρρ因为后面需要随体导数的概念，还需要把速度函数表示成矢量的形式。

前面u,v,w 是标量，是ν在(x,y,z,t)直角坐标系三个方向的速度。

),(t rνν=M 点（x,y,z,t ），速度为),(t M ν ，过了t ∆之后，在M '点，速度为),(t t M ∆+'ν。

纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)名称由来Navier-Stokes equations描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。

简称N-S方程。

因1821年由C.-L.-M.-H.纳维和1845年由G.G.斯托克斯分别导出而得名。

该方程是可压缩流体的N-S方程。

其中，Δ是拉普拉斯算子；ρ是流体密度；pN-S方程意义后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。

N-S方程反映了粘性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。

它是一个非线性偏微分方程，求解非常困难和复杂，目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解；但在有些情况下，可以简化方程而得到近似解。

例如当雷诺数Re1时，绕流物体边界层外，粘性力远小于惯性力，方程中粘性项可以忽略，N-S方程简化为理想流动中的欧拉方程（=－Ñp+ρF）；而在边界层内，N-S方程又可简化为边界层方程，等等。

在计算机问世和迅速发展以后，N-S方程的数值求解才有了很大的发展。

基本假设在解释纳维-斯托克斯方程的细节之前，首先，必须对流体作几个假设。

第一个是流体是连续的。

这强调它不包含形成内部的空隙，例如，溶解的气体的气泡，而且它不包含雾状粒子的聚合。

另一个必要的假设是所有涉及到的场，全部是可微的，例如压强P，速度v，密度，温度Q，等等。

该方程从质量，动量，和能量的守恒的基本原理导出。

对此，有时必须考虑一个有限的任意体积，称为控制体积，在其上这些原理很容易应用。

该有限体积记为\Omega，而其表面记为\partial\Omega。

该控制体积可以在空间中固定，也可能随着流体运动。

纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），以克劳德-路易·纳维(Claude-Louis Navier)和乔治·盖伯利尔·斯托克斯命名，是一组描述象液体和空气这样的流体物质的方程。

-斯托克斯方程
纳维-斯托克斯方程（英文名：Navier-Stokes equations），简称N-S方程。

N-S方程是用于描述流体运动的方程，可以看作是流体运动的牛顿第二定律。

对于可压缩的牛顿流体，可以得到
其中，u是流体速度，p是流体压力，ρ是流体密度，μ是流体动力黏度。

式中各项分别对应于惯性力（1）、压力（2）、黏性力（3），以及作用在流体上的外力（4）。

纳维-斯托克斯方程是由纳维、泊松、圣维南和斯托克斯于1827年到1845年之间推导出来的。

这些方程总是要与连续性方程同时进行求解：
纳维-斯托克斯方程表示动量守恒，而连续性方程则表示质量守恒。