応力テンソル(流体・弾性体)

POINT

  • 粘性流体の応力テンソル,弾性体の応力テンソルについて.

連続物体の運動方程式には「応力テンソル」が現れます(関連記事 [A]).

粘性流体と弾性体の場合に,応力テンソルの表式を整理します.

【関連記事】

粘性流体

変形速度テンソル

$\bm{v}$を流速,$\partial_{i} = \partial / \partial x_{i}$とする.

変形速度テンソル (rate-of-strain tensor)を

\begin{aligned}
& e_{ij} = \partial_{j} v_{i} + \partial_{i} v_{j}
\qquad (\text{文献[1] (59.10)})
\end{aligned}
で表す.

変形速度テンソルについて,次の関係式が成り立つ

\begin{aligned}
e_{jj} &= e_{ij} \delta_{ij} = 2 \partial_{j} v_{j} =2\mathrm{div\,} \bm{v} \\
\partial_{j} e_{ji}
&= \partial_{i} \partial_{j} v_{j} + \partial_{j} \partial_{j} v_{i} \\
&= (\mathrm{grad\,}\mathrm{div\,}\bm{v} + \Delta \bm{v})_{i} \\
&= [\mathrm{grad\,}\mathrm{div\,}\bm{v} + (\mathrm{grad\,}\mathrm{div\,}\bm{v} - \mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{v})]_{i} \\
&=(2\mathrm{grad\,}\mathrm{div\,}\bm{v} - \mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{v})_{i}
\end{aligned}
(【参考】ベクトル解析の公式 - Notes_JP).

応力テンソル

「粘性流体の」応力テンソル (rate-of-strain tensor) は
\begin{aligned}
p_{ij}
& = -p\delta_{ij} + \lambda\Theta\delta_{ij} + \mu e_{ij} \\
& = -p\delta_{ij} + \biggl(\mu^{\prime} - \frac{2}{3}\mu \biggr) (\mathrm{div\,}\bm{v}) \delta_{ij} + \mu e_{ij} \\
& (\text{文献[1] (60.2)})
\end{aligned}

  • $\mu$:粘性率 (coefficient of viscosity)
  • $\lambda$:第2粘性率 (second coefficient of viscosity)
  • $\mu^{\prime} = \lambda + \frac{2}{3}\mu$:体積粘性率 (bulk viscosity)

運動方程式(関連記事 [A])では$\partial_{j} p_{ji}$を使う.これは,

\begin{aligned}
\partial_{j} p_{ji}
&= -\partial_{i} p
+ \biggl(\mu^{\prime} + \frac{1}{3}\mu \biggr)
\partial_{i}(\mathrm{div\,}\bm{v})
+ \mu \Delta v_{i} \\
&= -\partial_{i} p
+ \biggl(\mu^{\prime} + \frac{4}{3}\mu \biggr)
\partial_{i}(\mathrm{div\,}\bm{v})
-\mu (\mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{v})_{i}
\end{aligned}
などと表せる.

弾性体

歪(ひずみ)テンソル

$\boldsymbol{u}$を弾性体の変位ベクトルとするとき,歪テンソル (strain tensor) は
\begin{aligned}
\varepsilon_{ij}
=\frac{1}{2} (\partial_{j} u_{i} + \partial_{i} u_{j})
\qquad (\text{文献[2] (7.5)})
\end{aligned}

歪テンソルも変形速度テンソルと同様に,次の関係式が成り立つ

\begin{aligned}
\varepsilon_{jj} &= \mathrm{div\,} \bm{u} \\
\partial_{j} \varepsilon_{ji}
&= \frac{1}{2} (\mathrm{grad\,}\mathrm{div\,}\bm{u} + \Delta \bm{u})_{i} \\
&= \frac{1}{2} (2\mathrm{grad\,}\mathrm{div\,}\bm{u} - \mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{u})_{i}
\end{aligned}

応力テンソル

「弾性体の」応力テンソルは
\begin{aligned}
\sigma_{ij}
&=2\mu \biggl[\varepsilon_{ij} - \frac{1}{3} (\mathrm{div\,} \bm{u}) \delta_{ij} \biggr]
+\overbrace{K (\mathrm{div\,} \bm{u})}^{=-p} \delta_{ij} \\
&= 2\mu \varepsilon_{ij}
+\biggl(K - \frac{2}{3}\mu \biggr) (\mathrm{div\,} \bm{u}) \delta_{ij} \\
& (\text{文献[2] (7.19)})
\end{aligned}
  • $\mu$:ずれ弾性率 (shear modulus)
  • $K$:体積弾性率 (bulk modulus)

運動方程式(関連記事 [A])では$\partial_{j} p_{ji}$を使う.これは,

\begin{aligned}
\partial_{j} \sigma_{ji}
&= -\partial_{i} p + \frac{1}{3}\mu \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
+ \mu \Delta u_{i} \\
&= -\partial_{i} p + \frac{4}{3}\mu \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
- \mu (\mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{u})_{i} \\
&= \biggl(K + \frac{1}{3}\mu \biggr) \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
+ \mu \Delta u_{i} \\
&= \biggl(K + \frac{4}{3}\mu \biggr) \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
- \mu (\mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{u})_{i} \\
&= (\lambda + \mu) \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
+ \mu \Delta u_{i} \\
&= (\lambda + 2\mu) \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
- \mu (\mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{u})_{i}
\end{aligned}
などと表せる($K = \frac{3\lambda + 2\mu}{3} $ (ラメ定数 - Wikipedia)).

最後の2式について疎密波の音速(関連記事 [D])

\begin{aligned}
c_{1}
&=\sqrt{\frac{K + 4\mu / 3}{\rho}}
\end{aligned}
を使うと,
\begin{aligned}
\partial_{j} \sigma_{ji}
&= (\rho c_{1}^{2} - \mu ) \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
+ \mu \Delta u_{i} \\
&= \rho c_{1}^{2} \partial_{i} (\mathrm{div\,} \bm{u})
- \mu (\mathrm{rot\,}\mathrm{rot\,} \bm{u})_{i}
\end{aligned}
となる.

圧力勾配の変形

$\partial_{j} p_{ji}$の計算では,粘性流体でも弾性体でも$\partial_{i} p$の項が出てきた.熱力学の関係式を用いて,密度$\rho$と温度$T$で表す.

$v = 1 / \rho$を比容(単位質量あたりの体積)とする.

圧力について

\begin{aligned}
\mathrm{d}p
& = \biggl(\frac{\partial p}{\partial v}\biggr)_{T} \mathrm{d}v
+ \biggl(\frac{\partial p}{\partial T}\biggr)_{v} \mathrm{d}T
\end{aligned}
より
\begin{aligned}
0
&= \biggl(\frac{\partial p}{\partial v}\biggr)_{T}
\biggl(\frac{\partial v}{\partial T}\biggr)_{p}
+ \biggl(\frac{\partial p}{\partial T}\biggr)_{v}
\end{aligned}
が得られる.よって,熱膨張率(Thermal expansion - Wikipedia
\begin{aligned}
\alpha
&=\frac{1}{v} \biggl(\frac{\partial v}{\partial T}\biggr)_{p}
\end{aligned}
を使うと
\begin{aligned}
\biggl(\frac{\partial p}{\partial T}\biggr)_{v}
&= - \frac{\alpha}{\rho} \biggl(\frac{\partial p}{\partial v}\biggr)_{T}
\end{aligned}
となる.

関連記事[E]の関係式

\begin{aligned}
\biggl(\frac{\partial p}{\partial v} \biggr)_{T}
&= -\frac{\rho^{2} c^{2}}{\gamma}
\end{aligned}
を使うと,
\begin{aligned}
\partial_{i} p
&=\biggl(\frac{\partial p}{\partial v}\biggr)_{T}
\biggl(\frac{\partial v}{\partial \rho}\biggr)_{T}
\partial_{i} \rho
+ \biggl(\frac{\partial p}{\partial T}\biggr)_{v}
\partial_{i} T \\
&=\biggl(\frac{\partial p}{\partial v}\biggr)_{T}
\biggl[ \biggl(\frac{\partial v}{\partial \rho}\biggr)_{T} \partial_{i} \rho
- \frac{\alpha}{\rho} \partial_{i} T
\biggr] \\
&=-\frac{\rho^{2} c^{2}}{\gamma}
\biggl(-\frac{1}{\rho^{2}} \partial_{i} \rho
- \frac{\alpha}{\rho} \partial_{i} T \biggr) \\
&=\frac{c^{2}}{\gamma}
\biggl( \partial_{i} \rho
+ \rho \alpha \partial_{i} T \biggr)
\end{aligned}
となる.



ただし,
\begin{aligned}
c^{2}
&=\biggl(\frac{\partial p}{\partial \rho} \biggr)_{\mathrm{ad}}
\end{aligned}
であり,$c$は等方的な変形をする場合($\sigma_{ij} = -p \delta_{ij}$,「球面」圧縮波(疎密波))の音速である.$p = -K \mathrm{div\,} \bm{u}$であり,
\begin{aligned}
0&=\frac{\partial \rho}{\partial t} + \rho_{0} \, \mathrm{div\,} \dot{\bm{u}} \\
&=\frac{\partial }{\partial t} (\rho + \rho_{0} \mathrm{div\,} \bm{u})
\end{aligned}
だから$\rho + \rho_{0} \mathrm{div\,} \bm{u} = f(x, y, z)$.したがって,
\begin{aligned}
c^{2}
&=\biggl(\frac{\partial p}{\partial \rho} \biggr)_{\mathrm{ad}} \\
&=\biggl(\frac{\partial p}{\partial (\mathrm{div\,} \bm{u})} \biggr)_{\mathrm{ad}}
\biggl(\frac{\partial (\mathrm{div\,} \bm{u})}{\partial \rho} \biggr)_{\mathrm{ad}} \\
&=\frac{K}{\rho_{0}}
\end{aligned}
となる.

参考文献