2 控制方程

2.1 流体与固体

日常生活中我们会遇到四种物质状态——固体、液体、气体与等离子体——它们乍看之下由对约束的响应来区分:固体既保持形状又保持体积,液体保持体积但会顺应容器的形状,气体则会膨胀充满一切可用的空间。然而对于连续介质力学而言,真正具有决定性意义的区别并非几何的,而是动力学的,它关乎物质对剪切应力的响应。

流体是一种在静止时无法承受剪切应力的物质:只要施加一个剪切力,无论它多么微小,流体都会持续地变形——它会流动——只要该力持续作用。相反,固体在足够小的剪切载荷下会以有限的静态变形作出响应,并稳定到一个新的平衡构型。因此,静止的流体只传递法向应力,即压强;剪切应力仅在运动中产生,并通过粘性得以抵抗。于是,流体一词同时涵盖了液体与气体:尽管二者在密度和可压缩性上差异极大,但它们都会在任意小的剪切作用下流动,并且在宏观层面上都服从本章将要推导的同一组平衡律。关于其背后的物理,我们参考 Batchelor [1] 以及 Landau 和 Lifshitz [23] 的经典论述。

物质状态之间的宏观差异,根源在于分子之间的作用力。两个中性分子之间的作用力 F (作为其间距 r 的函数,示意见图 2.1)在短程强烈排斥,在长程微弱吸引,长程处按 Fk/r7 衰减,其中常数 k 由分子本身决定;两种贡献在平衡间距 d0 处相互平衡。对于像水这样的极性分子,其正负电荷中心不重合,分子带有一个永久偶极矩,相应地其吸引尾部也更强。

图 2.1:两个原子之间作用力随其间距变化的示意图。

这些分子间作用力的相对强弱决定了分子活动性的程度,并进而决定了物质状态。在固体中,分子被紧密束缚,只能围绕固定、有序的位置振动;在液体中,分子仍保持紧密接触,但可以相互滑移,只保留短程有序;在气体中,分子几乎自由且无序。表 2.1 总结了这一图像。

表 2.1:固体与流体的分子性质
分子间作用力分子排列统计类型
固体有序量子
液体部分有序量子 + 经典
气体无序经典

尽管物质在分子尺度上是离散的,流体力学却把流体描述为一种连续介质。所关心的场量——密度、速度、压强与温度——都被视为位置与时间的光滑函数,它们在每一点上被定义为在某个控制体上的平均值,该控制体相对于分子间距足够大,但相对于流动的宏观特征长度 L 又足够小。这种尺度上的分离即为连续介质假设。只要分子碰撞之间的平均自由程 相对于 L 可以忽略,即当 Knudsen 数 Kn=/L 很小时,该假设就成立;它在稀薄气体以及被约束到分子尺度的流动中失效 [1, 11]。同样的假设也构成了可变形固体力学的基础,这两个领域共同构成了连续介质力学

最后,固体行为与流体行为之间的界限并非泾渭分明。许多材料——稠密悬浮液、聚合物溶液与熔体、膏体与凝胶——在某些条件下像液体一样流动,在另一些条件下又像固体一样抵抗,这取决于所施加载荷的大小与时间尺度。这类非牛顿行为的系统分类与建模是第 3 章的主题;而本章则发展任何此类材料(无论其具体本构响应如何)都遵守的运动学与平衡律。

2.2 运动的 Lagrange 描述与 Euler 描述

在采用了 2.1 节的连续介质假设之后,我们现在来描述流体的运动。与固体不同,流体可以经历任意大的变形,这使得描述方式的选择变得重要。最直接的方法是逐个跟踪每一个物质粒子:用其在初始时刻 t=0 的参考构型中的位置 X 来标记一个粒子,则其运动由映射 ϕ 给出,它把该粒子映射到当前位置 x

(2.1)x=ϕ(X,t).
假设 2.1
  1. 对每个 t ϕ(,t) 是一个微分同胚,即 ϕ(,t)C1 且为双射,其逆 ϕ(,t)1C1
  2. 映射 ϕ(,t) 对每个 t 可逆,逆为 ϕ1(,t)
  3. ϕ(,0)=Id

图 2.2 展示了所考察流体某一给定体积的一般变形。在有限变形分析中,对于位移 u:=xX 的大小不作任何假设。在无穷小变形分析中,则假设位移 u 比所考察流体系统的特征尺寸小若干个数量级。

图 2.2:可变形体积的一般运动。

为了描述运动的物质描述与空间描述之间的区别,我们考察一个标量,例如流体的温度 T

物质描述: 温度 T 相对于 t=0 时刻坐标为 X 的物质粒子来描述,即

(2.2)T=T^(X,t).

空间描述: 温度 T 相对于空间中任一时刻 t 的固定位置 x 来描述,即

(2.3)T=T(x,t).

此处及下文中,我们用符号 ^ 标记那些相对于物质粒子表达的量。

物质描述,即 (2.2) 中给出的 Lagrange 描述,关注给定流体物质粒子温度 T 的变化。而 (2.3) 表示的空间描述,也称 Euler 描述,其侧重点在于给定位置 x 处温度的变化;无论是哪个物质粒子正经过位置 x 。对于流体而言,Lagrange 描述显然极为繁琐,因为要理解整体运动就必须跟踪众多物质粒子的运动。这正是流体力学工作者几乎只使用 Euler 描述的原因。

物质时间导数把从 Lagrange 视角考察的物理量的时间变化率,与从 Euler 视角观测到的同一物理量的变化率联系起来。考察由此前定义的方程给出的流体运动

(2.4)x=ϕ(X,t),

由此,粒子的速度,即遵循 Lagrange 描述的速度,被定义为 ϕ 的时间导数

(2.5)v^(X,t)=ϕ(X,t)t.

尽管这里我们考察的是运动的 Lagrange 描述,速度仍是一个空间矢量。通过对方程求逆,速度可以表达为与 Euler 描述相关联的空间位置 x 的函数,

(2.6)v(x,t)=v^(ϕ1(x,t),t).

空间中固定点 x 处一般标量或张量 T(x,t) 的变化率,由如下关于时间的偏导数表示:

(2.7)T(x,t)t=limδt0T(x,t+δt)T(x,t)δt.

由一个以速度 u 运动的观测者所测得的同一物理量在 x 处的变化率,则由下式给出

(2.8)limδt0T(x+uδt,t+δt)T(x,t)δt=T(x,t)t+uT(x,t).

若取 u 为空间位置 x 处、时刻 t 的粒子速度,即 v(x,t) ,则该变化率对应于 dT(x,t)dt ,即所谓的物质时间导数

(2.9)dT(x,t)dt=T(x,t)t+v(x,t)T(x,t)对流部分.

表达式 v(x,t)T(x,t) 对应于物质时间导数的对流部分

在方程 (2.9) 中把标量 T 替换为速度 v(x,t) 的各个分量,我们得到加速度矢量 a(x,t)

(2.10)a(x,t)=v(x,t)t+(Dv(x,t))v(x,t).

对某些应用而言,下面这个与 (2.10) 等价的加速度矢量表达式会很有用

(2.11)a(x,t)=v(x,t)t+|v(x,t)|22+(×v(x,t))×v(x,t).

在方程 (2.10) 中, L:=Dv(x,t) 是称为速度梯度张量的二阶张量。

设采用笛卡尔基,并令 v(x,t)=(v1(x,t),v2(x,t),v3(x,t))T ,我们对 T v 的梯度、散度、旋度与 Jacobi 矩阵采用如下记号,其中 χ{x,X} d{2,3}

(2.12)χT(χ):=(χ1T,,χdT)R1×d (2.13)χ×v(χ):=χ1v2χ2v1R  d=2 (2.14)χv(χ):=χ1v1++χdvdR (2.15)χ×v(χ):=(χ2v3χ3v2χ3v1χ1v3χ1v2χ2v1)Rd×1  d=3 (2.16)Dχv(χ):=(χ1v1χdv1χ1vdχdvd)Rd×d.

于是,三维中的速度梯度张量为

(2.17)L=Dv=Dxv=(v1x1v1x2v1x3v2x1v2x2v2x3v3x1v3x2v3x3).

在不引起歧义时,我们在 Euler 情形下略去微分算子的下标 x ,即写 而非 x 。速度梯度张量之于速度,正如变形梯度张量之于位移(见 2.3 节)。速度梯度张量可以分解为对称部分与反对称部分之和:

(2.18)L=D+W,

其中

(2.19)D=12(L+LT), (2.20)W=12(LLT).

对称张量 D 称为变形率张量。设采用笛卡尔基,变形率张量 D 的各分量为

(2.21)D=(v1x112(v1x2+v2x1)12(v1x3+v3x1)12(v1x2+v2x1)v2x212(v2x3+v3x2)12(v1x3+v3x1)12(v2x3+v3x2)v3x3).

D 的对角分量之和对应于速度的散度 div(v) D 的对角元描述沿基方向的拉伸速度,而非对角元则与相应基方向线元之间夹角的变化率有关。关于 D 各分量的详细解释,参见 [1]。

反对称张量 W 称为自旋张量,它描述转动速度。设采用笛卡尔基, W 的各分量为

(2.22)W=(012(v2x1v1x2)12(v1x3v3x1)12(v2x1v1x2)012(v3x2v2x3)12(v1x3v3x1)12(v3x2v2x3)0).

W 的张量分量与涡量矢量 ω 直接相关

(2.23)ω=×v (2.24)=(v3x2v2x3, v1x3v3x1, v2x1v1x2)T.

对任意矢量 n ,乘积 Wn 对应于 ω2 n 的叉积,即

(2.25)Wn=12ω×n.

矢量 ω2 描述所考察物质流体微元的转动速度。 W 显然与变形率完全无关。

2.3 变形梯度与应变张量

为了从物理上理解变形梯度张量,我们考察两个物质粒子 P Q P Q 在变形前 t=0 时刻的位置由矢量 XP XQ 给出。变形后,物质粒子 P Q 将处于如下空间位置

(2.26)xP=ϕ(XP,t);以及xQ=ϕ(XQ,t).

图 2.3:变形梯度张量  定义的示意图。此处假设  为无穷小量。

由图 2.3 可见,距离 dX=XQXP t 时刻变形后将变为 dx ,即

(2.27)dx=xQxP, (2.28)=ϕ(XP+dX,t)ϕ(XP,t), (2.29)=ϕ(XP,t)+ϕ(X,t)X|X=XPdXϕ(XP,t)+O(|dX|2), (2.30)=F^(XP,t)dX,

其中

(2.31)F^(XP,t)=ϕ(X,t)X|X=XP,

描述了点 XP 、时刻 t 处的变形梯度张量。为了得到等式 (2.30),我们假设线段 dX 为无穷小量。空间元矢量 dx 也称为物质矢量 dX 前推(push forward)等价物。反过来,物质矢量称为空间矢量 dx 拉回(pull back)等价物,其含义为

(2.32)dx=F^(XP,t)dX.

在本书后续内容中,我们将避免显式写出变形张量的自变量,采用记号 F^ 。关于变形梯度张量性质的更详细描述,例如可参考 [6, 20, 22]。应变定义为无穷小线段在变形下的相对长度变化。基于变形梯度张量的定义,我们可以把长度 dx 表达为如下形式:

(2.33)dx2=(F^(XP,t)dX, F^(XP,t)dX) (2.34)=dXTF^T(XP,t)F^(XP,t)dX (2.35)=dXTC^(XP,t)dX,

其中

(2.36)C^=F^TF^,

表示右 Cauchy–Green 张量,也称为 Green 变形张量。称之为张量,是因为在 C^ 的乘积定义中张量 F^ 位于右侧。该张量显然是对称且正定的,因为

(2.37)(C^dX,dX)=(F^TF^dX,dX)=(F^dX,F^dX)=F^dX2>0dX0.

为了定义左 Cauchy–Green 张量,我们引入 F^ 的 Euler 对应物

(2.38)F(x,t)=F^1(ϕ1(x,t),t).

类似于 (2.33),我们现在可以用张量 F(x,t) 表达长度 dX

(2.39)dX2=(F^1(XP,t)dx, F^1(XP,t)dx) (2.40)=(F(xp,t)dx, F(xp,t)dx) (2.41)=dxFT(xp,t)F(xp,t)dx (2.42)=dxb1dx,

其中 b1=FTF=F^TF^1 左 Cauchy–Green 张量 b 的逆, b 定义为

(2.43)b=F^F^T.

与 (2.36) 中 C^ 的定义相反,此处称之为张量,是因为在 b 的定义中 F^ 位于左侧。

现在我们考察线段 dX 在变形下的长度平方变化:

(2.44)12(dx2dX2)=12(dXTC^dXdXTdX) (2.45)=dXT[12(C^I)]dX (2.46)=dXTE^dX,

其中 E^=12(C^I) 描述 Lagrange 应变张量(或 Green 应变张量), I 为(二阶)单位张量。基于方程 (2.46),长度平方变化也可以用线段 dx 表达:

(2.47)12(dx2dX2)=dXTE^dX, (2.48)=dxTF^TE^F^1dx, (2.49)=dxT[12(IF^TF^1)]dx, (2.50)=dxT[12(IFTF)]dx.

与之相应的张量 e=12(IFTF) 称为 Euler 应变张量(或 Almansi 应变张量)。

2.4 应力张量

设为连续介质,作用在流体任意控制体 V(t) 上的力有两类。第一类是长程力,例如重力,它施加单位体积上的力。这类能够渗透到流体内部的力称为体积力体力。第二类是与分子相互作用直接相关的短程力。这类力通常源于迁移或振荡分子造成的动量输运。这类被称为应力的力,只能作用在一层薄层上,其穿透深度相对于表面元的尺寸很小。我们用 ds x 表面元 S 上的一个邻域。作用在 ds 上的平均力用 Cauchy 牵引矢量 t(x,t,n) 表示,其中 n 是与表面元 ds 相关联的单位法矢。所采用的约定是: t(x,t,n) 是流体在表面元 n 所指向一侧所施加的应力。 t(x,t,n) 中方向与 n 相同的法向分量表示张力(拉伸)

Cauchy 的基本结论断言,牵引矢量对取向 n 这种先验上很复杂的依赖关系,实际上是线性的,并由一个二阶张量所中介。

定理 2.2(Cauchy 应力定理)

设牵引矢量 t(x,t,n) 关于 x 连续,且线动量在每个物质体积上守恒。则 t 对单位法矢 n 的依赖是线性的:存在一个二阶张量场 σ(x,t) ,即 Cauchy 应力张量,使得

(2.51)t(x,t,n)=σ(x,t)n

对每一个单位法矢 n 成立。

证明(Cauchy 四面体)。 固定 x t ,考察一个小四面体,它有三个面与坐标轴正交,还有第四个倾斜面,其外法单位矢为 n=(n1,,nd) 。若倾斜面的面积为 A ,则外法为 ei 的面的面积为 Ai=niA 。在该四面体上对线动量作平衡,则表面牵引、体力与惯性力满足

At(n)+i=1dAit(ei)+(体积项)=0.

ε 记四面体的直径,则体积项(体力与惯性)按 εd 标度,而表面项按 εd1 标度。两边除以 Aεd1 并令 ε0 ,体积项消失;再利用 t(ei)=t(ei) Ai/A=ni ,便剩下

t(n)=i=1dnit(ei).

定义 σ 为其第 i 列是法矢为 ei 的面上牵引 t(ei) 的张量,即 σji=(t(ei))j ,则右端即为 σn ,这正是 (2.51)。

因此,分量 σji 是作用在法向指向 ei 方向的表面元上的牵引的第 j 个分量;对角元是法向应力,非对角元是剪切应力。此外,Cauchy 应力张量是对称的, σ=σT ,这是 2.6 节所建立的角动量平衡的结果。

2.5 Reynolds 输运定理

对于给定量 T ,其 Lagrange 描述与 Euler 描述之间成立如下关系:

(2.52)T(ϕ(X,t),t)=T(x,t)=T^(X,t)=T^(ϕ1(x,t),t).

Jacobi 矩阵 DXϕ 及其行列式 J^(X,t):=det(DXϕ(X,t)) 对随后考察的体积分起着关键作用。

引理 2.3

成立

(2.53)tJ^(X,t)=J^(X,t)(xv)(ϕ(X,t),t)

以及

(2.54)J^(X,t)>0对所有 X,t.

证明。 利用链式法则、 v^ 的定义以及 (2.52),我们首先得到

(2.55)tϕi(X,t)Xj=Xjv^i(X,t)=Xjvi(ϕ(X,t),t)=k=1dxkvi(x,t)Xjϕk(X,t).

现在我们回顾一些线性代数的结论:设 SRd×d 是一个行列式为 det(S) 的矩阵。用 S(i,j)Rd1×d1 记删去 S 的第 i 行、第 j 列后所得的矩阵,并用 Aij:=(1)i+jdet(S(i,j)) 记行列式的代数余子式。用这些记号,下列公式成立:

(2.56)(S1)ij=1det(S)Aji (2.57)δikdet(S)=j=1dAijSkj.

由 (2.57) 我们直接得到

(2.58)Sijdet(S)=Aij.

S=DXϕ J^=det(S) ,利用 (2.56)–(2.58) 得到:

tJ^=i,j=1dJ^[ϕiXj]tϕi(X,t)Xj(链式法则)=i,j=1dAijk=1dxkvi(x,t)Xjϕk(X,t)(由 (2.58) 与 (2.55))=i,j,k=1dAijXjϕk(X,t)xkvi(x,t)=i,k=1dδikJ^xkvi(x,t)(由 (2.57))=J^i=1dxivi(x,t)=J^(X,t)(xv)(ϕ(X,t),t)

断言 (2.54) 由假设 2.1 直接得到:由于 ϕ(,t) 是微分同胚, DXϕ(X,t) 可逆,从而对所有 X,t J^(X,t)0 。又因 ϕ(X,0)=X ,故 J^(X,0)=1>0 。因此对所有 X,t J^(X,t)>0

现在我们考察体积及其中所含的量。设 V^Rd 记一组物质点, V(t):=ϕ(V^,t) t0 记这些点在 t 时刻所占据的体积。由假设 2.1,有 V^=V(0)

定理 2.4(Reynolds 输运定理)

V^Rd 为 Lebesgue 可测集, ΩRd 满足对所有 t0 V(t)Ω 。假设 ϕ f:Ω×(0,)R 充分可微,且其导数 DXϕ(,t) xf(,t) 分别在 V^ Ω 上对每个 t(0,) 可积。则成立

(2.59)ddtV(t)f(x,t)dx=V(t)tf(x,t)+x(fv)(x,t)dx.

证明。 成立

ddtV(t)f(x,t)dx=ddtV^f(ϕ(X,t),t)J^(X,t)dX(换元法)=V^ddt(f(ϕ(X,t),t)J^(X,t))dX(Leibniz 积分法则)=V^tf(ϕ(X,t),t)J^(X,t)+J^(X,t)i=1dxif(ϕ(X,t),t)ϕit(X,t)(乘积与链式法则)+f(ϕ(X,t),t)tJ^(X,t)dX=V^tf(ϕ(X,t),t)J^(X,t)+J^(X,t)xf(ϕ(X,t),t)v(ϕ(X,t),t)+f(ϕ(X,t),t)J^(X,t)(xv)(ϕ(X,t),t)dX(引理 2.3)=V^tf(ϕ(X,t),t)J^(X,t)+(x(fv))(ϕ(X,t),t)J^(X,t)dX=V(t)tf(x,t)+x(fv)(x,t)dx.(换元法)

Reynolds 输运定理 2.4 使我们能就物理量的守恒得出如下结论:设 V^Rd 记一个有界域(即开且连通),它在初始时刻 t=0 含有给定量的物质粒子,并记住此前引入的映射 ϕ(,t):V^V(t) 。我们考察一族函数

(2.60)f(,t):V(t)R

它应当刻画某物理量(例如质量、动量或能量)的(相对于体积的)密度。于是,

(2.61)F(t):=V(t)f(x,t)dx

正是体积 V(t) 中所含该量的总量。利用定理 2.4 与 Gauss 散度定理,我们得到

(2.62)ddtF(t)=V(t)tf(x,t)+x(fv)(x,t)dx=V(t)tf(x,t)dx+V(t)f(vn)(x,t)dσ.

方程 (2.62) 基本上表明:量 F 的时间变化率由内部密度变化,以及以速度 v 穿过其表面 V(t) 进入体积的密度量所决定。后一项称为通量(flux)

2.6 守恒律

现在我们可以把 2.2 节的运动学、2.4 节的应力张量以及 Reynolds 输运定理结合起来,推导流体运动的控制方程。每一条平衡律都是通过对任意物质体积 V(t) 假定某一物理量的守恒,并把所得的积分恒等式局部化而得到的。

2.6.1 质量守恒

ρ(x,t) 记质量密度。物质体积 V(t) 中所含的质量为 V(t)ρdx ,质量守恒要求它在时间上保持恒定,

ddtV(t)ρdx=0.

f=ρ 应用 Reynolds 输运定理(定理 2.4)得到 V(t)(tρ+(ρv))dx=0 。由于物质体积是任意的且被积函数连续,该被积函数必须逐点为零,这给出连续性方程

(2.63)tρ+(ρv)=0.

对于不可压缩流体,每个物质粒子的密度都是常数, DρDt=0 ,于是 (2.63) 化为不可压缩约束

(2.64)v=0.

(2.63) 的一个有用推论是如下恒等式,它对任意可微(标量或矢量值)场 ψ 成立:对 f=ρψ 应用输运定理,并用 (2.63) 消去乘 ψ 的那些项,

(2.65)ddtV(t)ρψdx=V(t)ρDψDtdx.

2.6.2 线动量平衡

对物质体积应用牛顿第二定律,把线动量的变化率等同于作用其上的总力,后者由体力 ρb 与 (2.51) 的表面牵引 t=σn 组成,

ddtV(t)ρvdx=V(t)ρbdx+V(t)σndσ.

由散度定理,面积分被转化为体积分,

V(t)σndσ=V(t)σdx,

而左端由质量比输运恒等式 (2.65) 取 ψ=v 加以变换。在任意体积 V(t) 上令被积函数相等,给出 Cauchy 运动方程

(2.66)ρDvDt=σ+ρb.

此处物质加速度 DvDt=tv+(v)v 恰好是 (2.10) 中引入的加速度场。

2.6.3 角动量平衡

在没有分布体力偶的情形下,角动量平衡对应力施加了一个逐点约束,我们在 2.4 节已作了预告。

命题 2.5(Cauchy 应力的对称性)

在没有体力偶的情形下,角动量平衡蕴含 Cauchy 应力张量是对称的, σ=σT

证明思路。 物质体积关于原点的角动量平衡为

ddtV(t)ρ(x×v)dx=V(t)ρ(x×b)dx+V(t)x×(σn)dσ.

用 (2.65) 变换左端、用散度定理变换面项,然后减去 x 与 Cauchy 运动方程 (2.66) 的叉积,体力与加速度的所有贡献都相互抵消。剩下的是一个体积分,其被积函数是 σ 反对称部分的轴矢量。由于 V(t) 任意,该部分必须为零,即 σ=σT

2.6.4 能量平衡

为完整起见,我们记录热力学第一定律,它把内能的变化率与应力功率及热交换加以平衡。设 e 为比内能, q 为热流, r 为单位质量的热源,则局部形式为

(2.67)ρDeDt=σ:Dq+ρr,

其中 σ:D 是应力功率, D 是 2.2 节的变形率张量。能量平衡对于可压缩或非等温流动是不可或缺的;而对于本书所强调的不可压缩、等温模型,它与 (2.63) 和 (2.66) 解耦,故不再进一步讨论。

结语

方程 (2.63) 与 (2.66) 是流体运动的控制方程。它们所含的未知量——速度 v 、密度 ρ 与应力 σ ——比标量方程的数目更多,因而并不闭合:应力还必须通过一条本构律与运动联系起来。牛顿闭合,以及由此导出的 Stokes 方程,是第 3 章的主题;而由此得到的模型的有限元离散化所依据的变分形式则将在第 4 章展开。

3 从守恒律到 Stokes 方程

第 2 章的平衡律——质量守恒与线动量平衡——只有在 Cauchy 应力张量 σ 被用运动本身表达出来之后,才能确定流体的运动。本章补上这一环:为不可压缩牛顿流体给出应力的本构闭合,由此得到 Navier–Stokes 方程,再在蠕流极限下导出第 4 章所要离散的 Stokes 方程。(本章只讨论 Stokes 方程的推导;非牛顿流体的建模不在此列。)

3.1 本构闭合问题

对常密度 ρ 的不可压缩流体,第 2 章的守恒律为

(3.1)ρDvDt=divσ+ρbdivv=0

其中 b 是单位质量的给定体力。系统 (3.1) 含 d+1 个标量方程,未知量却是速度 v 、压强与对称应力 σ ,因而并不闭合:还需要一条把 σ 与运动学联系起来的本构律。对不可压缩流体,方便的做法是把应力拆成压强部分与偏量部分(后者称为附加应力 τ ):

(3.2)σ=pI+τtrτ=0

其中压强 p=1dtrσ 作为 Lagrange 乘子施行不可压缩约束, I 为二阶单位张量。于是建模任务归结为给定附加应力 τ 。全章中 D 记变形率张量, L=D+W 为速度梯度及其对称、反对称部分(见第 2 章)。

3.2 牛顿流体与 Navier–Stokes 方程

最简单的容许闭合,在变形率张量中是线性且各向同性的,它定义了牛顿流体

定义 3.1(牛顿流体)

称不可压缩流体为牛顿流体,若其附加应力线性依赖于变形率,

(3.3)τ=2μD

其中 μ>0 为常数动力粘度

把 (3.2)–(3.3) 代入 (3.1)。粘性项的散度可借不可压缩性化简:

div(2μD(v))=μdiv(v+vT)=μ(Δv+(divv))=μΔv

其中用到按分量的恒等式 [div(vT)]i=jivj=i(divv) 以及 divv=0 。于是 divσ=p+μΔv ,代入 (3.1) 得不可压缩 Navier–Stokes 方程

(3.4)ρDvDt=p+μΔv+ρbdivv=0.

它是不可压缩流动的基石模型;牛顿律 (3.3) 的特征在于粘度 μ 是与流动无关的材料常数。

3.3 蠕流极限:Stokes 方程

Navier–Stokes 方程 (3.4) 左端的物质加速度 DvDt=tv+(v)v 是非线性的(源于对流项 (v)v )。以特征速度 U 、特征长度 L 作无量纲化,惯性项与粘性项之比由 Reynolds 数 Re=ρUL/μ 度量。当 Re1 (缓慢、粘性主导的蠕流)时,对流加速度相对于粘性力可忽略;再限于定常流动 tv=0 ,则整个物质加速度都被略去, DvDt0 。方程 (3.4) 遂退化为线性方程

μΔv+p=ρbdivv=0.

把粘性项写回对称的变形率形式 μΔv=div(2μD(v)) (对无散度场成立),并记 u:=v f:=ρb ,再配以壁面无滑移边界条件 u=0 Ω ,便得到定常 Stokes 问题的强形式

(3.5)div(2μD(u))+p=fdivu=0  Ωu=0  Ω

这正是第 4 章将要离散的强形式(在那里重新记作 (4.2))。之所以偏爱对称的 div(2μD(u)) 而非等价的 μΔu ,是因为前者显式地保留了变形率张量 D ——它与 Korn 不等式自然耦合,从而在第 4 章的弱形式中给出强制性。

4 变分形式

第 2 章与第 3 章所汇集的本构流动模型都是强形式的偏微分方程,它们要求逐点存在的导数,而数值逼近往往难以直接提供这类导数。它们的有限元处理转而依赖于一个等价的变分(弱)形式:把方程对光滑函数作检验,并通过分部积分放松可微性要求。本章发展这一形式,建立所得问题的适定性,并由此导出离散代数系统——从而架起通向第 6 章鞍点求解器的桥梁。

我们集中讨论定常 Stokes 问题,它是从第 3 章的 Navier–Stokes 方程 (3.4) 出发、略去对流加速度所得的线性原型;完整非线性问题所需的修改在本章末尾指出。全章中, ΩRd d{2,3} )记一个具有 Lipschitz 边界 Ω 的有界域, (,) L2(Ω) 内积;对张量, A:B=i,jAijBij 记 Frobenius 缩并。

4.1 函数空间与弱导数

有限元方法并不处理经典的、逐点意义下的解,而是处理只在弱的、积分意义下具有导数的函数。称函数 uL2(Ω) 具有弱导数 iu=gL2(Ω) ,若

Ωuiφdx=Ωgφdx对所有 φCc(Ω)

该恒等式即分部积分公式,其边界项因 φ 的紧支集而被抑制。把弱一阶导数平方可积的函数收集起来,得到 Sobolev 空间

H1(Ω)={uL2(Ω):iuL2(Ω), i=1,,d}

它在范数 uH12=uL22+uL22 下是一个 Hilbert 空间。齐次 Dirichlet 边界条件通过闭子空间 H01(Ω) 施加, H01(Ω) Cc(Ω) H1 范数下的闭包。在 H01(Ω) 上成立 Poincaré–Friedrichs 不等式 uL2CΩuL2 ,因此半范数 |u|H1=uL2 H01(Ω) 上是一个范数,且与 H1 等价。

对于不可压缩流动问题,速度是一个矢量场,其每个分量都属于 H01 ;而压强只通过其梯度进入方程,从而只被确定到相差一个可加常数。这促使我们引入如下空间对

(4.1)V:=[H01(Ω)]dQ:=L02(Ω)={qL2(Ω):Ωqdx=0}

分别配以范数 vV=|v|H1 qQ=qL2 Q 中的零均值约束固定了那个未定常数,使压强唯一。

4.2 Stokes 问题的弱形式

速度 u 与压强 p 的定常 Stokes 问题,其强形式

(4.2)div(2μD(u))+p=fdivu=0  Ωu=0  Ω

其中 D(u)=12(u+uT) 是第 2 章的变形率张量, μ>0 为常数动力粘度,体力 f[L2(Ω)]d 。它刻画对流加速度(见 (3.4))可忽略的、由粘性主导的缓慢流动。

为过渡到弱形式,取检验速度 vV ,用 v 点乘动量方程并在 Ω 上积分。对应力项作分部积分,利用 v=0 Ω 以及 D 的对称性,可把一次求导转移到检验函数上。下面把这一步用 Gauss 散度定理逐步展开。

准备两个 Gauss 恒等式。 对二阶张量场 S (其散度按分量为 (divS)i=jjSij )与矢量场 v ,由乘积法则 j(Sijvi)=(jSij)vi+Sijjvi ,对 i,j 求和后左端为矢量场 STv 的散度。对该散度应用经典 Gauss 定理,并注意 (STv)n=i,jSijvinj=v(Sn) ,即得张量版分部积分公式;对压强梯度项则用标量恒等式 div(pv)=pv+pdivv

张量版与压力项的分部积分
()Ω(divS)vdx=Ω(Sn)vdsΩS:vdx ()Ωpvdx=Ωp(vn)dsΩpdivvdx.

检验动量方程。 v 点乘 (4.2) 的动量方程并积分,再对第一项用 () (取 S=2μD(u) )、对第二项用 ()

Ω2μD(u):vdxΩ(2μD(u)n)vdsΩpdivvdx+Ωp(vn)ds=Ωfvdx.

边界项消失。 因为 vV=[H01(Ω)]d ,故 v=0 Ω ,两个边界积分同时为零,于是

Ω2μD(u):vdxΩpdivvdx=Ωfvdx.

利用 D 的对称性。 v=D(v)+W(v) 分解为对称与反对称部分(见 2.2 节)。由于 D(u) 对称、 W(v) 反对称,双点积 D(u):W(v)=0 ,故 D(u):v=D(u):D(v) ,从而得到弱动量平衡

Ω2μD(u):D(v)dxΩpdivvdx=Ωfvdx.

检验不可压缩约束。 用检验压强 qQ 乘以不可压缩约束并积分,得 Ωqdivudx=0 。引入双线性形式

(4.3)a(u,v):=Ω2μD(u):D(v)dxb(v,q):=Ωqdivvdx

它们分别定义在 V×V V×Q 上;再引入载荷泛函 (v):=Ωfvdx ,则问题取如下对称的**混合(mixed)**形式。 b 定义中的负号是刻意为之:它使同一个 b 既出现在动量方程里( b(v,p) ,来自 pdivv )又出现在约束里( b(u,q) ),从而给出对称的鞍点结构。

定义 4.1(Stokes 问题的弱形式)

(u,p)V×Q ,使得

(4.4)a(u,v)+b(v,p)=(v)对所有 vVb(u,q)=0对所有 qQ.

这两行分别表示弱动量平衡——其中压强作为约束的 Lagrange 乘子通过 b(v,p) 进入——与弱不可压缩性。(4.4) 的结构,即 V 上一个对称双线性形式 a 与一个约束形式 b 相耦合,正是第 6 章代数鞍点系统的连续原型。

4.3 适定性:Lax–Milgram 与 Babuška–Brezzi 理论

(4.4) 的适定性依赖变分学的两个经典结论。第一个针对单个强制双线性形式。

定理 4.2(Lax–Milgram)

H 为 Hilbert 空间, a:H×HR 为双线性形式,满足有界性 |a(u,v)|MuHvH 与强制性 a(v,v)αvH2 α>0 )。则对每个有界线性泛函 H ,问题 a(u,v)=(v) (对所有 vH )有唯一解,且 uHα1H

对 Stokes 形式 a ,有界性是显然的,而强制性由 Korn 不等式给出:在 V 上,由 2D(v)L22|v|H12 vV )可得 a(v,v)=2μD(v)L22μvV2 。若非不可压缩约束的存在,Lax–Milgram 本可立即解决问题;与压强的耦合要求把它推广到鞍点情形 [7, 16]。

于是考察抽象混合问题:给定 V×V 上有界双线性形式 a V×Q 上有界双线性形式 b ,以及数据 V χQ ,求 (u,p)V×Q ,使得 a(u,v)+b(v,p)=(v) (对所有 v )且 b(u,q)=χ(q) (对所有 q )。其分析围绕核空间展开

Z:={vV:b(v,q)=0 对所有 qQ}

对 Stokes 形式而言,它就是弱意义下无散度的速度所构成的空间。

定义 4.3(inf–sup 条件)

称形式 b 满足 inf–sup 条件(或 Ladyzhenskaya–Babuška–Brezzi 条件),若存在常数 β>0 ,使得

(4.5)infqQ{0} supvV{0} b(v,q)vVqQβ.
定理 4.4(Babuška–Brezzi)

a b 有界, a 在核空间 Z 上强制,且 b 满足 inf–sup 条件 (4.5)。则抽象混合问题有唯一解 (u,p) ,它连续依赖于数据,

uV+pQC(V+χQ)

其中 C 只依赖于强制常数 α 、inf–sup 常数 β ,以及 a b 的连续性常数。

其证明及最优常数可在专著 [5, 8, 18] 中找到。应用于 Stokes 问题: Z 上的强制性由上面的 Korn 估计给出(它在整个 V 上成立,故在 Z 上亦然),而 inf–sup 条件相当于断言散度算子把 V 满射到 Q 上、且有一个有界右逆:对每个 qL02(Ω) ,存在 vV 满足 divv=q vVCqL2 。Lipschitz 域的这一非平凡性质 [5, 18] 补全了定理 4.4 的假设,从而得到如下结论。

定理 4.5(Stokes 问题的适定性)

对每个 f[L2(Ω)]d ,弱 Stokes 问题 (4.4) 有唯一解 (u,p)V×Q ,它连续依赖于 f

注 4.6(极小化与鞍点结构)。 由于 a 对称,(4.4) 的解是 Lagrange 泛函 L(v,q)=12a(v,v)(v)+b(v,q) 的唯一鞍点:速度在无散度场 Z 上极小化粘性耗散 12a(v,v)(v) ,而压强则是施行约束 divv=0 的 Lagrange 乘子。这是第 6 章离散 Lagrange 泛函与约束极小化的连续对应物,也是该章所专注的鞍点结构的首次出现。

4.4 Galerkin 逼近与 Céa 引理

有限元方法把 V Q 替换为有限维子空间 VhV QhQ ,它们由 Ω 的一个特征尺度为 h 的网格 Th 上的分片多项式构造而成。(4.4) 的 Galerkin 逼近把试探函数与检验函数都限制到这些子空间上。

定义 4.7(离散 Stokes 问题)

(uh,ph)Vh×Qh ,使得

(4.6)a(uh,vh)+b(vh,ph)=(vh)对所有 vhVhb(uh,qh)=0对所有 qhQh.

4.3 节的抽象理论逐字适用于 (4.6),但有一个决定性的告诫:inf–sup 条件不会自动从连续层面继承下来,因为 (4.5) 中的上确界现在是在更小的空间 Vh 上取的。因此稳定性要求空间对 (Vh,Qh) 满足一个离散 inf–sup 条件,且其常数关于 h 一致地远离零。

假设 4.8(离散 inf–sup 稳定性)

存在常数 β>0 ,与 h 无关,使得

(4.7)infqhQh{0} supvhVh{0} b(vh,qh)vhVqhQβ对所有 h.

在假设 4.8 之下,离散问题由定理 4.4 关于 h 一致地适定,且逼近是拟最优的。

定理 4.9(拟最优误差估计)

(u,p) 解 (4.4), (uh,ph) 解 (4.6),且假设 4.8 成立。则

(4.8)uuhV+pphQC(infvhVhuvhV+infqhQhpqhQ)

其中 C 只依赖于连续性常数以及 α,β ——因而与 h 无关。

估计 (4.8) 是 Céa 引理的混合形式对应物:至多相差一个常数,有限元解与 Vh×Qh 中可得的最佳逼近一样精确;再结合多项式逼近估计,它给出关于 h 的收敛率 [8, 16]。决定性的假设是一致离散 inf–sup 条件 (4.7)。违反它的单元对——尤其是等阶速度–压强插值——会容许虚假压强模态,必须加以稳定化;而 inf–sup 稳定的单元对(例如 Taylor–Hood 单元)则满足它。这些问题,尤其是 (4.7) 的代数表现,将在第 6 章详细考察。

4.5 从变分问题到代数系统

选取 Vh 的基 {φi}i=1n Qh 的基 {ψk}k=1m ,并展开

uh=j=1nUjφjph=l=1mPlψl

则离散问题 (4.6) 在对基函数作检验后,成为关于系数矢量 URn PRm 的线性系统。用如下矩阵与矢量元素

(4.9)Aij=a(φj,φi)Bki=b(φi,ψk)Fi=(φi)

(4.6) 的两行即为 AU+BTP=F BU=0 ,也就是

(4.10)(ABTB0)(UP)=(F0).

矩阵 A a 的 Gram 矩阵,由强制性知它对称正定;对粘性项的 Laplace 形式而言,它恰是矢量 Laplace 刚度矩阵。矩形矩阵 B 表示离散散度,而离散 inf–sup 条件 (4.7) 恰好表明 B 具有满行秩、且带一个关于 h 一致的下界——这正是保证 (4.10) 可解的性质。

系统 (4.10) 就是第 6 章的对称鞍点系统 (6.1) 在 C=0 时的情形。对一个本不稳定的单元对作稳定化离散,会添加一个对称半正定的压强–压强项,把零块替换为 C C0 ),从而给出该章处理的一般形式 [9]。它的高效迭代求解——代数形式的 inf–sup 理论、Krylov 子空间方法与块预条件子——是下一(也是最后一)章的主题。

完整非线性不可压缩 Navier–Stokes 方程的有限元处理——对流项及其诱导的三线性形式、inf–sup 稳定单元、Picard 与 Newton 线性化,以及高 Reynolds 数下所需的稳定化——是第 5 章的主题。其每一线性化步骤同样产生形如 (4.10) 的鞍点系统,只是此时一般不再对称,其高效求解则在第 6 章展开。