控制體積

控制體積是流體力學及熱力學中,為一物理現象建立數學模型時會用到的一個名詞。在慣性參考系中,控制體積可能是一固定的區域,或者是隨著流體運動。控制體積的表面也稱為控制表面。

定義

在流體力學中,控制體是指在流體所在的空間中,以假想或真實流體邊界包圍,固定不動形狀任意或可運動、變形的的空間體積。包圍這個空間體積的邊界面,稱為控制面。

在工程熱力學中,控制體積又稱為開口系統,簡稱為控制體,它是指有物質流穿過邊界的系統,其界面稱為控制界面 。穩態(steady)時,控制體積可以視為一個其中流體體積為定值的任意空間。流體可能會流進或流出控制體積,但流入控制體積的流體質量等於流出控制體積的流體質量。在穩態且沒有功或能量的交換,控制體積內的能量也是一個定值。控制體積的概念類似經典力學的自由體圖。

特點

控制體具有以下特點 :

(1)控制體的形狀與大小不變,並相對於某坐標系固定不動。控制體內的流體質點組成並非不變的。

(2)控制體既可通過控制面與外界有質量和能量交換,也可與控制體外的環境有力的相互作用。

套用

在計算流體力學(CFD)中,對於位置固定的控制體,物理學的基本原理將套用到控制體內的流體上,而對於隨流體運動的控制體,還需將物理學基本原理運用於流過控制面的流體。因此,藉助於控制體,可將注意力集中在控制體本身這一有限區域內的流體。而物理學基本原理要適用於控制體,得到的流體流動方程將是以積分的形式表達出來的。由於控制體是以空間變數描述,因此,其相應描述方法是歐拉的。

在工程熱力學中,可利用控制體建立穩態穩流能量方程式,其在工程上有廣泛的套用。比如壓氣機、動力機、絕熱節流等。

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