问题
问答题
设稳定流动的不可压缩流体(假设密度为1)的速度场由ν=(y2-z)i+(2-x)j+(x2-y)k给出,锥面
(0≤x≤h)是速度场中一片有向曲面,求在单位时间内流向曲面∑外侧的流体的质量.
答案
参考答案:[详解] 在单位时间内流向曲面∑外侧的流体的质量即流量,记为Φ,则
[*]
添加曲面∑1:z=h(x2+y2≤h2)取上侧的曲面积分,由∑和∑1组成封闭曲面,且积分是在该封闭曲面的外侧进行,由高斯公式得:
[*]
所以 [*]
故 [*]
解析:
[分析]: 一般地,向量场A(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k沿着指定侧通过曲面∑的流量为[*]P(x,y,z)dydz+Q(x,y,z)dzdx+R(x,y,z)dxdy.因此,若稳定流动的不可压缩流体(假设密度为1)的速度场由ν=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k给出,则在单位时间内流向有向曲面∑的流体的质量为[*]P(x,y,z)dydz+Q(x,y,z)dzdz+R(x,y,z)dxdy.本题∑不是封闭的,可先添加一曲面使其封闭,再利用高斯公式,而在添加的曲面上应用直接投影法计算即可.
[评注] 负号应解释为在单位时间内流入曲面∑的流体的质量为[*]当∑不封闭时,添加适当的曲面(一般为平面区域)使其封闭,再用高斯公式进行计算,是第二类曲面积分的典型计算方法.