迹线就是质点的运动轨迹,是质点在各个时刻所处位置连起来形成的曲线。炮弹的弹道轨迹就是一条迹线,飞机在天上飞过留下的航迹云也表示了一条迹线。显然,迹线的定义是建立在拉格朗日法基础上的,是追踪一个流体质点得到的。
流体力学使用欧拉法,更关心的是空间某点处流体的速度大小和方向,这个速度指的是这一时刻经过该点的流体质点的速度。如果流动是非定常的,每一个经过该点的流体质点的速度方向都可能不同,因此也就会形成不同的迹线,这时候用流线来描述流动更方便些。流线的定义是这样的:在任一时刻,流场中所有点处都有一个速度方向矢量,这些矢量和相邻点的矢量连起来,可以形成很多条曲线,这些曲线就是流线。有时也将流线定义为其上任何点的切线都代表当地的速度方向的曲线。
拍摄烟花时,用较长的曝光时间可以表示众多火星儿划出的美丽图案。形成这些图案的每条曲线都是迹线,如果曝光时间过短,拍摄到的就是一些亮点而已。有一种观察流动的方法是在物体表面粘很多柔软的短丝线,当有流动时,带动这些丝线使之顺着流动方向,于是这些丝线就指示了当地气流的方向,把这些丝线连起来就能形成流线。视频1演示了一个这样的流动实验,这种方法称为丝线显示法,是一种古老但仍然很常用的观察流动的方法。
当流动是定常的时候,对空间内所有的点,任意时刻经过该点的流体质点的速度都是相同的,这时流线和迹线是重合的。下面的视频是一个定常流动的例子,仔细观察视频里面流体中的小颗粒,可以看到后面的颗粒完全沿着前面的颗粒走过的轨迹运动。也就是说,同一条流线上的所有流体质点的迹线也都是沿着这条流线的。
当流动为非定常时,经过空间同一点的不同流体质点的运动轨迹可以不同,因此流线和迹线也是不同的。还是前面的流动,不过现在换个相对坐标系,让流体静止,球从流体中匀速穿过,这种流动就是非定常的。仔细观察视频里面流体中的小颗粒,看看它们的运动轨迹是什么样的,而任一瞬间流场中的流线又是什么样的。
图1给出了视频3中的流动图画。在任意瞬间,被扰动的流体质点的速度矢量连起来形成流线,这些流线从球的前部开始,到球的后部结束。如果研究其中某一个流体质点,则会发现质点并不是沿这些流线流动,而是各有各的运动轨迹,这些运动轨迹就是各质点的迹线,图中给出了位于球运动中心线以上的某一个流体质点的运动轨迹,也就是这个质点的迹线。
因为流体力学主要使用欧拉法,所以流线比迹线更常用一些。如果已知了流场的速度分布,可以计算出流线的曲线方程,从而画出流线。下面给出从速度分布求流线方程的方法。
根据流线的定义,其上任何一点的切线就是那一点的速度方向。如图2所示,流体在𝐝𝒕时间内沿流线走过一小段距离𝐝𝒔,这段距离在三个坐标轴上的投影为𝐝𝒙,𝐝𝒚和𝐝𝒛,而速度𝑽在三个坐标轴上的投影分别为𝒖,𝒗和𝒘,因此有如下关系式
于是我们就得到流线方程
当已知了速度分布,就可以利用式(1)得出流线方程了。比如现在有一个二维流场,速度分布为
把这个速度分布带入到式(1)中,积分,就可以得到流线方程为
其中的𝑪是常数,但可以取不同的值,每一个值对应一条流线。把这些流线画出来,就形成如图3所示的流场。
脉线是由流场中那些相继经过空间某一固定点的流体微团串连起来而形成的曲线。在定常流动中,脉线、迹线和流线都是重合的;在非定常流动中,这三者都不重合。虽然脉线的定义不如迹线和流线那样物理意义清晰,它却是最容易观察到的,经常作为实验中的观察手段。比如,下面的视频中,在圆柱的前方固定位置施放有颜色的液体,这些颜色线所形成的就是脉线。