BERNOULLIS EKVATION. Friktionsfri strömning, Eulers ekvation på vektorform:

Relevanta dokument
1 Potenitallösningen för strömningen kring en cylinder

1 Potentiallösningen för strömningen kring en cylinder

(14 januari 2010) Vad representerar de två sista termerna? Illustrera ingående storheter i figur.

p + ρv ρgz = konst. [z uppåt] Speciellt försumbara effekter av gravitation (alt. horisontellt):

p + ρv ρgz = konst. Speciellt försumbara effekter av gravitation (alt. horisontellt): Om hastigheten ökar minskar trycket, och vice versa.

A. Egenskaper hos plana figurer (MTM458)

(14 januari 2010) 1.2 Ge en praktisk definition av en fluids densitet. Illustrera med figur.

1.8 Beskriv aerodynamiskt skillnaden mellan en trubbig kropp (eng. blunt or bluff body) och en slank kropp (eng. slender or streamlined body).

v = dz Vid stationär (tidsoberoende) strömning sammanfaller strömlinjer, partikelbanor och stråklinjer. CH Strömningslära C.

1 Cirkulation och vorticitet

MMVN01 Aerodynamik och kompressibel strömning Repetitionsfrågor. (med förslag till svar, endast några figurer; C. Norberg, 25 februari 2014)

CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Tillämpad mekanik Göteborg. TME055 Strömningsmekanik

5C1201 Strömningslära och termodynamik för T2 Inkompressibel, friktionsfri och viskös strömning,

v = dz Vid stationär (tidsoberoende) strömning sammanfaller strömlinjer, partikelbanor och stråklinjer. CH Strömningslära C.

Hydrodynamik Mats Persson

τ ij x i ρg j dv, (3) dv + ρg j dv. (4) Detta samband gäller för en godtyckligt liten kontrollvolym och därför måste det + g j.

Institutionen för matematik SF1626 Flervariabelanalys. Lösningsförslag till tentamen Måndagen den 5 juni 2017 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1646 Analys i flera variabler Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

Lösningsförslag till tentamen Tisdagen den 10 januari 2017 DEL A

Re baseras på medelhastighet V samt hydraulisk diameter D h, Re = Re Dh = ρv D h. , D h = 4 A P. = V D h ν

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Aerodynamik. Swedish Paragliding Event november Ori Levin. Monarca Cup, Mexico, foto Ori Levin

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 26 maj, 2014

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

Svar till övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

Lösningar/svar till tentamen i MTM060 Kontinuumsmekanik Datum:

Linjära avbildningar. Låt R n vara mängden av alla vektorer med n komponenter, d.v.s. x 1 x 2. x = R n = x n

Övning 6, FMM-Vektoranalys, SI1140

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 10 januari 2017

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

LEONARDO DA VINCI ( )

Föreläsning 13, SF1626 Flervariabelanalys

Bestämning av lyftkraft på en symmetrisk vingprofil.

Lösningar/svar till tentamen i MTM119 Hydromekanik Datum:

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

Kroklinjiga koordinater och räkning med vektoroperatorer. Henrik Johanneson/(Mats Persson)

av envariabelfunktionen g(t) och flervariabelfunktionen t = h(x, y) = x 2 + e y.)

bh 2 π 4 D2 ] 4Q1 πd 2 =

Tentamen i tmv036c och tmv035c, Analys och linjär algebra C för K, Kf och Bt A =, = det(a λi) = e 2t + c 2. x(t) = c 1. = c 1.

Repetition kapitel 21

Grundläggande aerodynamik

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

FFM232, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Måndagen den 16 mars 2015

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

Lösningsförslag till tentamen Onsdagen den 15 mars 2017 DEL A

1. Det totala tryckfallet från pumpens utlopp, via rörledningen och alla komponenterna tillbaks till pumpens inlopp ges av. p = d

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A. 1. En svängningsrörelse beskrivs av

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A

Institutionen för Energivetenskaper, LTH

Tentamen: Lösningsförslag

Kapitel 4. Differentialrelationer. Repetition Energiekvationen Vorticitet Strömfunktionen Hastighetspotential Potentialströmning

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Poincarés modell för den hyperboliska geometrin

Analys på en torus. MatematikCentrum LTH

MMVN01 Aerodynamik och kompressibel strömning 7.5 hp. Kursinformation 2013

u = Ψ y, v = Ψ x. (3)

Lösningar/svar till tentamen i MTM113 Kontinuumsmekanik Datum:

Lösningar till Matematisk analys 4,

MMVN01 Aerodynamik och kompressibel strömning 7.5 hp. Kursinformation 2019

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

TATA44 Lösningar 24/8/ ) Låt S vara den del av x 2 + y 2 + z 2 = 2 innanför cylindern x 2 + y 2 = 1. Inför cylinderkoordinater.

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM232)

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 20 augusti 2015

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 18 augusti 2016

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Onsdagen den 15 mars 2017

1 x. SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

DIMENSIONSANALYS OCH LIKFORMIGHETSLAGAR

Lösningar/svar till tentamen i MTM119/052 Hydromekanik Datum:

Kapitel 8. Kap.8, Potentialströmning

KOMPRESSIBEL STRÖMNING I RÖR OCH KANALER, KONSTANT TVÄRSNITT

Inlämningsuppgift nr 2, lösningar

u av funktionen u = u(x, y, z) = xyz i punkten M o = (x o, y o, z o ) = (1, 1, 1) i riktningen mot punkten M 1 = (x 1, y 1, z 1 ) = (2, 3, 1)

Övningstenta: Lösningsförslag

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Appendix A: Differentialoperatorer i olika koordinatsystem

1 Materiell derivata. i beräkningen och så att säga följa med elementet: φ δy + δz. (1) φ y Den materiella derivatan av φ definierar vi som.

Lösningsförslag till tentamen TMA043 Flervariabelanalys E2

TMV036 Analys och Linjär Algebra K Kf Bt, del C

Bra tabell i ert formelblad

Vektoranalys III. Anders Karlsson. Institutionen för elektro- och informationsteknik

Formelsamling. Elektromagnetisk fältteori för F och Pi ETE055 & ETEF01

Lösningar/svar till tentamen i MTM113 Kontinuumsmekanik Datum:

TATA44 ösningar till tentamen 13/01/ ) Paraboloiden z = 2 x 2 y 2 skär konen z = x 2 + y 2 då x 2 + y 2 = 2 x 2 y 2. Med

VIKTIGA TILLÄMPNINGAR AV GRUNDLÄGGANDE BEGREPP

δx 1, (1) u 1 + u ) x 1 där den andra termen är hastighetsförändringen längs elementet.

Differentialrelationer. Repetition Energiekvationen Vorticitet Strömfunktionen Hastighetspotential Potentialströmning

Integraler av vektorfält Mats Persson

MMVF01 Termodynamik och strömningslära

Arbete och effekt vid rotation

SF1626 Flervariabelanalys

(x 3 + y)dxdy. D. x y = x + y. + y2. x 2 z z

Transkript:

BERNOULLIS EKVATION Friktionsfri strömning, Eulers ekvation på vektorform: dv dt = V t +(V )V = g ρ 1 p (1) Cartesiska koordinater: V = (u,v,w), = ( / x, / y, / z). Vektoridentitet: (V )V = (V 2 /2)+ξ V där V = V = V V och ξ = V (vorticitetsvektorn). Insatt i (1) samt efter skalärmultiplikation med dr, en differentiell förflyttningsvektor: V t + (V 2 /2)+ξ V+ρ 1 p g Termen (ξ V) dr är noll om: dr = 0 (1) V = 0; trivialt, hydrostatik (2) ξ = 0; rotationsfri strömning, se vidare Ch. 3.7 3.16 (3) dr vinkelrät mot ξ V specialfall, ovanligt (4) dr parallell med V; förflyttning längs en strömlinje Med g = gk (k uppåt), (ξ V) dr = 0 och stationära förhållanden ( V/ t = 0) fås Bernoullis ekvation på differentiell form: ρ 1 dp+d(v 2 /2)+gdz = 0 Inkompressibel strömning, ρ = konst. p+ρv 2 /2+ρgz = konst. I fall (2) gäller Bernoullis ekvation i alla punkter med samma konstant; i fall (4) beror konstanten av strömlinjen. Vid aerodynamiska tillämpningar kan oftast höjdtryckstermen försummas, p+ρv 2 /2 = konst. Ch. 3.2 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH

TRYCKKOEFFICIENT Tryckkoefficienten C p med referenstillstånd i en ankommande friström (index ) definieras enligt C p = p p q, q = ρ V 2 /2 Längs en strömlinje vid stationär inkompressibel och friktionsfri strömning, med utgångspunkt i referenstillståndet, gäller således om höjdtrycksförändringarkan försummas: p +ρv 2 /2 = p+ρv 2 /2, d.v.s. C p = 1 (V/V ) 2 Om strömningen dessutom är rotationsfri, s.k. potentialströmning, gäller sambandet för alla punkter i strömningsfältet. Observera att C p = 1 i en stagnationspunkt, V = 0. Nedanstående illustrerar C p utefter ytan på en anströmmad cirkulär cylinder, (främre) stagnationspunkt vid θ = 0 och θ = 360. Potentialströmning ( theoretical ): C p = 1 4sin 2 θ Ch. 3.5 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH

HASTIGHETSPOTENTIAL Vid rotationsfri strömning, V = 0, kan hastighetsvektorn uttryckas som gradienten av en skalär funktion, φ kallas hastighetspotential. V = 0 V = φ Vid inkompressibel strömning visar kontinuitetsekvationen, V = 0, att hastighetspotentialen uppfyller Laplaces ekvation, 2 φ = 0. Om den inkompressibla rotationsfria strömningen dessutom är tvådimensionell i ett plan så är strömlinjer ψ = konst. lokalt vinkelräta mot ekvipotentiallinjer i varje punkt, 1 d.v.s. dy dx ψ=konst. = v u = 1 (dy/dx) φ=konst. Laplaces ekvation är linjär, vilket innebär att olika lösningar kan superponeras, läggas samman. Om φ 1, φ 2,..., φ n representerar n stycken separata lösningar till Laplaces ekvation gäller detta även godtyckliga linjära summor av dessa, ex. φ = a 1 φ 1 +a 2 φ 2 +...+a n φ n = a i φ i där a i (i = 1,2,..., n) är konstanter. På fasta ytor måste hastighetens normalkomposant vara noll, d.v.s. V n = V n = ( φ) n = 0 φ/ n = 0. 1 Under dessa förhållanden uppfyller även strömfunktionen ψ Laplaces ekvation, 2 ψ = 0. Ch. 3.7 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH

PLAN POTENTIALSTRÖMNING, SUPERPOSITION AV ELEMENTARFALL Parallellströmning längs x-axeln: u = φ/ x = ψ/ y = V, v = φ/ y = ψ/ x = 0. Integrationer ger φ = V x+konst., ψ = V y +konst. Konstanterna är ointressanta, d.v.s. φ = V x = V rcosθ ψ = V y = V rsinθ Radiell strömning från/mot origo, käll- resp. sänkströmning: V r = f(r), V θ = 0. Volymflöde per breddenhet genom yta vid radien r: Q/b = Λ = 2π 0 V r rdθ = 2πrV r,d.v.s.v r = Λ/(2πr).V r = φ/ r = r 1 ψ/ θ = Λ/(2πr), V θ = r 1 φ/ θ = ψ/ r = 0 ger φ = Λ 2π lnr ψ = Λ 2π θ Superposition av parallellström och källströmning, strömfunktion: ψ = V rsinθ+ Λ 2π θ I stagnationspunktenbär V r = V θ = 0 r B = Λ/(2πV ), θ B = π. Ch. 3.9 11 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH

SUPERPOSITIONER... Superposition av linjekälla +Λ i ( a,0), linjesänka Λ i (a,0) samt parallellströmning längs x-axeln: ψ = V rsinθ+ Λ 2π (θ 1 θ 2 ) Den slutna strömlinjen kan motsvara en kroppskontur; kallas Rankines oval. Om a 0 samtidigt som Λ på ett sätt att κ = 2Λa = konst. fås en s.k. dubblett. Om denna superponeras med en parallellströmning blir den slutna kroppskonturen en cirkel, som då kan motsvara friktionsfri strömning kring en cylinder med cirkulärt tvärsnitt: ψ = (V rsinθ)(1 R 2 /r 2 ) V r = (1 R 2 /r 2 )V cosθ V θ = (1+R 2 /r 2 )V sinθ R = κ/(2πv ) På cylinderytan, r = R: V r = 0, V θ = 2V sinθ; tryckkoefficient: C p = 1 (V θ /V ) 2 = 1 4sin 2 θ Ch. 3.11 13 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH

φ = Γ 2π θ, ψ 4 = Γ 2π lnr V r = 0, V θ = Γ/(2πr) SUPERPOSITIONER. Fältet är rotationsfritt utom i origo, cirkulation Γ = C V ds Linjevirvel (potentialvirvel): Superposition av friström längs x-axelen samt dubblett och linjevirvel i origo: ψ = (V rsinθ)(1 R 2 /r 2 ) + (Γ/2π)ln(r/R), V r = (1 R 2 /r 2 )V cosθ, V θ = (1+R 2 /r 2 )V sinθ Γ/(2πr). Med β = Γ/(2πRV ) fås tryckkoefficienten på cylinderytan: C p = 1 (4sin 2 θ+4βsinθ+β 2 ) Integrationer c d = 0, c l = 2πβ Lyftkraft per breddenhet: L = c l 2Rρ V 2 /2, d.v.s. L = ρ V Γ. β < 2: två stagnationspunkter på ytan, sinθ s = β/2; β 2: stagnationspunkt utefter negativa y-axeln, 2y s /R = β+ β 2 4; kan tänkas motsvara en anströmmad roterande cylinder, β = ωr/v, ω = medurs vinkelhastighet; se Fig. 3.34 i kursboken (β = 3,6). Ch. 3.14/15 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH

KUTTA-JOUKOWSKYS SATS Cirkulation kring en sluten kurva A, moturs integrationsriktning: Γ = A V ds Kutta-Joukowskys sats 2 Vid plan inkompressibel potentialströmning är lyftkraften per breddenhet på en godtycklig sluten kroppskontur som anströmmasmedenkonstanthastighetv likamedρ V Γ, där Γ är nettocirkulationen runt konturen; ρ är fluidens densitet. Lyftkraftens riktning är 90 från friströmmen, vriden motsatt cirkulationen. L = ρ V Γ Strömningsmotståndet vid denna typ av strömning är noll, D = 0 (D Alemberts paradox). Lyftkraft (uppåt) på konturen kan endast uppstå om det finns en fördelning av linjevirvlar innanför den resulterande konturen så att den totala cirkulationen är större än noll. Inom teorin för lyftkraft på vingprofiler används kontinuerliga fördelningar av linjevirvlar, s.k. virvelskikt; behandlas i kapitel 4. 2 Satsen kan t.ex. bevisas via residuteoremet i komplex analys. Ch. 3.16 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH

SLÄT CIRKULÄR CYLINDER I VINKELRÄT ANSTRÖMNING Strömningsmotstånd per breddenhet, D = C D q d, q = ρ V 2 /2 Re Flödesregim (eng.) Beskrivning < 6.1 Stokes Flow nästan full symmetry, ingen avlösning 6.1 47.4 Twin Vortex avlösning på baksidan, två motroterande vakvirvlar 47.4 190 Laminar Shedding laminär, periodisk virvelbildning, 2-D eller kvasi 2-D 190 265 Wake Transition LS, initiering av 3-D vakinstabiliteter, A A B 260 1.6 10 3 Lower Subcritical LS, TRT i vaken 1.6 10 3 2 10 5 Upper Subcritical LS, TRT i vakskjuvskikt, stor vak 2 10 5 3.4 10 5 Precritical TRT nära avlösning, minskad vakbredd 3.4 10 5 8 10 5 Critical TRT vid avlösning, återanläggning, liten vak 8 10 5 6 10 6 Supercritical TRT i gränsskikt, TS, ökad vakbredd > 6 10 6 Postcritical TRT flyttas allt mer uppströms, TS, θ sep 110 LS = laminär avlösning, TRT = omslag till turbulens, TS = turbulent avlösning Stokes Flow Twin Vortex Laminar Shedding Re = 1.5 Re = 26 Re = 140 Fotografier av Sadatoshi Taneda (Milton van Dyke, Parabolic Press, 1982) Ch. 3.18 Aerodynamik och kompressibel strömning C. Norberg, LTH