渦度・流れ関数法とは、2次元非圧縮性ナビエ・ストークス方程式(NS方程式)の未知変数を減らして解析を簡単にするための手法のひとつ。NS方程式には未知変数がx 方向速度、y 方向速度、圧力の3つあるが、これを渦度ζと流れ関数ψの2つにする方法である。

導出

次の2式から始める:

2次元非圧縮性NS方程式
∂ u ∂ t ( u ⋅ ∇ ) u = − 1 ρ ∇ p ν ∇ 2 u {\displaystyle {\frac {\partial {\boldsymbol {u}}}{\partial t}} ({\boldsymbol {u}}\cdot \nabla ){\boldsymbol {u}}=-{\frac {1}{\rho }}\nabla p \nu \nabla ^{2}{\boldsymbol {u}}}
連続の式
∇ ⋅ u = 0 {\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {u}}=0}

以上の2式には、未知変数が速度u のx 方向成分、y 方向成分、および圧力の3つある。NS方程式の回転をとり、連続の式と連立させることによって、次の渦度輸送方程式を導くことができる:

∂ ζ ∂ t ( u ⋅ ∇ ) ζ = ν ∇ 2 ζ {\displaystyle {\frac {\partial \zeta }{\partial t}} ({\boldsymbol {u}}\cdot \nabla )\zeta =\nu \nabla ^{2}\zeta }

ここで、ζは渦度である:

ζ = rot ⁡ u {\displaystyle \zeta =\operatorname {rot} {\boldsymbol {u}}}

さらに流れ関数ψを、次式を満たす関数と定義する:

u = ( ∂ ψ ∂ y , − ∂ ψ ∂ x ) {\displaystyle {\boldsymbol {u}}=\left({\frac {\partial \psi }{\partial y}},\,-{\frac {\partial \psi }{\partial x}}\right)}

すると次の式に書き換えることができる:

∇ 2 ψ = − ζ {\displaystyle \nabla ^{2}\psi =-\zeta }
∂ ζ ∂ t ∂ ψ ∂ y ∂ ζ ∂ x − ∂ ψ ∂ x ∂ ζ ∂ y = ν ∇ 2 ζ {\displaystyle {\frac {\partial \zeta }{\partial t}} {\frac {\partial \psi }{\partial y}}{\frac {\partial \zeta }{\partial x}}-{\frac {\partial \psi }{\partial x}}{\frac {\partial \zeta }{\partial y}}=\nu \nabla ^{2}\zeta } :渦度輸送方程式

上式は未知変数が渦度ζと流れ関数ψの2つだけであり、元のNS方程式に比べ、解析が簡単になる。

脚注

参考文献

  • Joel H. Ferziger; Milovan Perić 著、小林敏雄、谷口伸行、坪倉誠 訳『コンピュータによる流体力学』シュプリンガー・フェアラーク東京、2003年、176頁。ISBN 4-431-70842-1。 

Y.M. Study

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[流体]渦度と循環の物理的な意味をイメージと数式で理解[図解] VisTech

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