1 Navier-Stokes ekvationer



Relevanta dokument
1 Cirkulation och vorticitet

När jag har arbetat klart med det här området ska jag:

3.1 Linjens ekvation med riktningskoefficient. y = kx + l.

SEPARABLA DIFFERENTIALEKVATIONER

Lathund, procent med bråk, åk 8

Modul 6: Integraler och tillämpningar

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.

Algebra, polynom & andragradsekvationer en pampig rubrik på ett annars relativt obetydligt dokument

4-6 Trianglar Namn:..

m 1 + m 2 v 2 m 1 m 2 v 1 Mekanik mk, SG1102, Problemtentamen , kl KTH Mekanik

Linjära system av differentialekvationer

Träning i bevisföring

Ekvationssystem, Matriser och Eliminationsmetoden

SF1620 Matematik och modeller

Vi skall skriva uppsats

SF1625 Envariabelanalys

Linjära system av differentialekvationer

Tentamen i SG1102 Mekanik, mindre kurs

Allmän teori, linjära system

a n = A2 n + B4 n. { 2 = A + B 6 = 2A + 4B, S(5, 2) = S(4, 1) + 2S(4, 2) = 1 + 2(S(3, 1) + 2S(3, 2)) = 3 + 4(S(2, 1) + 2S(2, 2)) = = 15.

konstanterna a och b så att ekvationssystemet x 2y = 1 2x + ay = b 2 a b

David Wessman, Lund, 30 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 5. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Idag. Hur vet vi att vår databas är tillräckligt bra?

4-3 Vinklar Namn: Inledning. Vad är en vinkel?

Kapitel 6. f(x) = sin x. Figur 6.1: Funktionen sin x. 1 Oinas-Kukkonen m.fl. Kurs 6 kapitel 1

Möbiustransformationer.

Observera att alla funktioner kan ritas, men endast linjära funktioner blir räta linjer.

DOP-matematik Copyright Tord Persson. Bråktal Läs av vilka tal på tallinjen, som pilarna pekar på. Uppgift nr

I den här delen används inte räknare. Motivera alltid din slutsats med matematiska uttryck, figurer, förklaring el.dyl.

Översikt. Rapport från skolverket. Förändring av matematikprestationerna Grundtankar bakom Pixel

Repetition av cosinus och sinus

Sammanfattning av kursdag 2, i Stra ngna s och Eskilstuna

Övningshäfte i matematik för. Kemistuderande BL 05

m/s3,61 m/s, 5,0 s och 1,5 m/s 2 får vi längden av backen, 3,611,5 5,011,1 m/s11,1 3,6 km/h40,0 km/h

Volymer av n dimensionella klot

Statistik 1 för biologer, logopeder och psykologer

Två konstiga klockor

När du som vårdpersonal vill ta del av information som finns hos en annan vårdgivare krävs det att:

Vid ett flertal tillfällen ställde individer frågor till Edgar Cayce om

Väga paket och jämföra priser

Partnerskapsförord. giftorättsgods görs till enskild egendom 1, 2. Parter 3. Partnerskapsförordets innehåll: 4

Tentamen i Linjär algebra (TATA31/TEN1) ,

Har du förstått? I De här talen är primtal a) 29,49 och 61 b) 97, 83 och 89 c) 0, 2 och 3.

Något om permutationer

HT 2011 FK2004 Tenta Lärare delen 4 problem 6 poäng / problem

SKOGLIGA TILLÄMPNINGAR

Sektionen för Beteendemedicinsk smärtbehandling

Tentamen i Fysik A, Tekniskt-Naturvetenskapligt basår

x 2 + px = ( x + p 2 x 2 2x = ( x + 2

Energi & Miljötema Inrikting So - Kravmärkt

Inlämningsuppgift: Introduktionskurs

Nedfrysning av spermier. Information om hur det går till att lämna och frysa ned spermier.

Övningshäfte Algebra, ekvationssystem och geometri

ÖVNINGSKÖRNINGSOLYCKOR

Statistik Äldre hjälpsökande hos Brottsofferjouren

Tentamensdeltagare från Dataekonomutbildningen, Textilekonomutbildningen och Affärsinformatikutbildningen.

7. SAMHÄLLSORIENTERING ÅK 5

Rätt till heltid i Stockholms stad Skrivelse från Sara Pettigrew och Åsa Jernberg (båda MP)

Avgifter i skolan. Informationsblad

Nämnarens adventskalendern 2007

Kontrollskrivning i Linjär algebra ,

Snabbslumpade uppgifter från flera moment.

912 Läsförståelse och matematik behöver man lära sig läsa matematik?

Intervjumall. Datum: Intervjuare: Kandidatens namn: Kandidatens uppgifter: Växel: (5)

Anne Denhov & Guy Karlsson. Tvång i öppenvård Patienter, permissioner och en ny lagstiftning

Hävarmen. Peter Kock

Gruppenkät. Lycka till! Kommun: Stadsdel: (Gäller endast Göteborg)

Tentamen i Mekanik (FK2002, FK2005, FK2006)

Mätningar på op-förstärkare. Del 3, växelspänningsförstärkning med balanserad ingång.

Föräldrabroschyr. Björkhagens skola - en skola med kunskap och hjärta. Vad ska barnen lära sig i skolan?

Kängurun Matematikens hopp Benjamin 2006 A: B: C: D: E:

Facit åk 6 Prima Formula

Sammanfattning på lättläst svenska

HÖGSTA DOMSTOLENS DOM

Koncept Katalog 2009

Facit med lösningsförslag kommer att anslås på vår hemsida Du kan dessutom få dem via e-post, se nedan.

Introduktion till Open 2012

ATT KUNNA TILL. MA1050 Matte Grund Vuxenutbildningen Dennis Jonsson

Friskoleurval med segregation som resultat

Tentamen i matematisk statistik (9MA241/9MA341/LIMAB6, STN2) kl 08-13

Du ska nu skapa ett litet program som skriver ut Hello World.

Institutionen för matematik Envariabelanalys 1. Jan Gelfgren Datum: Fredag 9/12, 2011 Tid: 9-15 Hjälpmedel: Inga (ej miniräknare)

Utveckla arbetsmiljö och verksamhet genom samverkan

Enkät om heltid i kommuner och landsting 2015

Föreläsning 1 i Elektronik ESS010

Två gränsfall en fallstudie

Partiklars rörelser i elektromagnetiska fält

Mätning av effekter. Vad är elektrisk effekt? Vad är aktiv-, skenbar- reaktiv- medel- och direkteffekt samt effektfaktor?

Laborativ matematik som bedömningsform. Per Berggren och Maria Lindroth

För dig som är valutaväxlare. Så här följer du reglerna om penningtvätt i din dagliga verksamhet INFORMATION FRÅN FINANSINSPEKTIONEN

Lathund till Annonsportalen

Åtgärdsplan ladprojekt Säterdalen

5B1816 Tillämpad mat. prog. ickelinjära problem. Optimalitetsvillkor för problem med ickelinjära bivillkor

NATIONELLA MATEMATIKTÄVLING

Särskilt stöd i grundskolan

Uppdrag: Huset. Fundera på: Vilka delar i ditt hus samverkar för att elen ska fungera?

729G04 - Hemuppgift, Diskret matematik

Kryssproblem (redovisningsuppgifter).

Brevutskick till väntande patienter

Transkript:

Föreläsning 5. 1 Navier-Stokes ekvationer I förra föreläsningen härledde vi rörelsemängdsekvationen Du j Dt = 1 τ ij + g j. (1) ρ x i Vi konstaterade också att spänningstensorn för en inviskös fluid kan skrivas som τ ij = pδ ij. I de flesta realistiska fall så är det en alltför grov idealisering att bortse från friktionskrafter i fluiden. Vi behöver därför ett uttryck för spänningstensorn som även inbegriper sådana krafter. Det är ett rimligt antagande att friktionskrafter uppkommer i en fluid då dess olika delar töjs och att ju mer ett fluidelement töjs desto större är de friktionskrafter som uppkommer. För en inkompressibel fluid kan vi därför anta att spänningstensorn förutom trycktermen innehåller en term som är proportionell mot töjningstensorn. Vi kan således skriva τ ij = pδ ij + µe ij, () där µ är en materialkonstant som kallas viskositeten. Viskositeten är olika för olika fluider och kan också variera något med temperatur och tryck. En ekvation av typen () som relaterar spänningstensorn till töjningstensorn kallas en konstitutiv relation och ekvation () är den enklaste konstitutiva relationen som säger att spänningstensorn är linjärt beroende av töjningstensorn. En fluid som uppfyller denna relation kallas en Newtonsk fluid. Nästan alla vanliga fluider inklusive vatten och luft kan med mycket stor noggrannhet behandlas som Newtonska fluider. Med sambandet () får vi τ ij = ( ( i pδ ij + µ + )) j = p + µ j, (3) x i x i x j x i x j x i x i där vi har antagit att fluiden är inkompressibel. Vi inför nu den kinematiska viskositeten ν = µ ρ, (4) sätter in (3) i (1) och får då Du j Dt = 1 p + g j + ν j. (5) ρ x j x i x i Detta utgör tre ekvationer (j = 1,, 3) som kallas Navier-Stokes ekvationer. I vektorform kan vi skriva Navier-Stokes ekvationer tillsammans med kontinuitetsekvationen för en inkompressibel fluid t + u u = 1 ρ p + g + ν u, (6) u = 0. (7) 1

I många tillämpningar i vilka gravitationskraften inte driver strömningen kommer gravitationen in enbart genom att den sätter upp ett bakomliggande hydrostatiskt tryckfält. Trycket kan då delas upp i två delar där den första delen befinner sig i hydrostatisk balans p = p + p, (8) 0 = p + ρg. (9) I sådana tillämpningar kan gravitationskraften elimineras ur ekvationerna genom att man ersätter det totala trycket p med den del, p, som beskriver avvikelsen från hydrostatisk balans. För denna del använder man dock vanligtvis också beteckningen p, om inget annat sägs. Vi skriver nu ekvationerna i Cartesiska koordinater utan att inkludera gravitationskraften, t + u x + v y + w z = 1 p ρ x + ν u, (10) v t + u v x + v v y + w v z = 1 p ρ y + ν v, (11) w t + u w x + v w y + w w z = 1 p ρ z + ν w, (1) x + v y + w z = 0. (13) I appendix A hittar ni Navier-Stokes ekvationer i cylinderkoordinater. Randvillkoret för Navier-Stokes ekvationer är att alla hastighetetskomponenter är noll på en fast rand. Vi kan jämföra detta med randvillkoret för Eulers ekvationer enligt vilket endast den hastighetskomponent som är normal mot randen måste vara noll, så att fluiden inte penetrerar randen, medan den tangentiella hastighetskomponenten inte behöver vara noll. En inviskös fluid är alltså fri att glida längs en rand, medan en viskös fluid inte kan glida längs randen. På engelska kallas randvillkoret för en viskös fluid för the no-slip condition. På svenska skulle vi kunna säga vidhäftningsvillkoret eller möjligen icke-glidningsvillkoret. Mer generellt säger vidhäftningsvillkoret att fluiden på randen ska ha samma hastighet som randen, vilket gäller både för fasta och rörliga ränder. Några exakta lösningar Exempel 5.1 Couetteströmning Beräkna hastighetsfältet för en fluid mellan två mycket långa plana plattor av vilken den övre plattan rör sig med hastigheten U och den undre plattan står stilla. Avståndent mellan plattorna är h. Viskositeten är ν, densiteten är ρ och tryckgradienten är noll. Strömningen är stationär och fullt utbildad, vilket innebär att vi betraktar den långt från inloppet och utloppet. Beräkna också volymsflödet (per längdenhet i z-led) och spänningen på väggarna. Rita en figur där väggarna är frilagda från fluiden och indikera spänningen på väggen och spänningen på fluiden.

Figure 1: Couetteströmning är den fullt utbildade strömningen mellan två långa parallella plattor varav den ena rör sig med hastigheten U och den andra står stilla. Lösning Eftersom strömningen är fullt utbildad har vi att x = 0. (14) Alltså har vi att v y = 0 v = C. (15) Randvillkoret v = 0 på plattorna ger att v = 0. Rörelsemängdsekvationen i x-led kan skrivas ( t + u x + v y = 1 p ) ρ x + ν u x + u. (16) y Den första termen i vänsterledet är noll eftersom strömningen är stationär, den andra termen är noll på grund av (14) och den tredje termen är noll eftersom v = 0. Den första termen i högerledet är noll eftersom tryckgradienten är noll och den andra termen är noll på grund av (14). Alltså får vi u = 0 u = Ay + B, (17) y där A och B är integrationskonstanter. Randvillkoren ger Hastighetsfältet ges alltså av u(0) = 0 B = 0 och u(h) = U A = U h. (18) Volymsflödet (per längdenehet i z-led) är h u = U h y. (19) h U q = u dy = 0 0 h y dy = 1 Uh. (0) Eftersom hastigheten är linjär i y är skjuvspänningen konstant. Vi har τ = ρν y = ρνu h. (1) I figur ser vi riktningen av spänningen på fluiden och på väggarna. 3

Figure : Den övre plattan drar med sig fluiden som bromsar plattan. Den undre plattan bromsar fluiden som vill dra med sig plattan. Exempel 5. Poiseuilleströmning Beräkna hastighetsfältet för en fluid mellan två mycket långa plana plattor som båda står stilla. Avståndent mellan plattorna är h. Viskositeten är ν, densiteten är ρ och tryckgradienten längs plattorna är konstant, dp/dx = K. Strömningen är stationär och fullt utbildad. Beräkna också volymsflödet (per längdenhet i z-led) och spänningen på väggarna. Rita en figur där väggarna är frilagda från fluiden och indikera spänningen på väggen och spänningen på fluiden. Figure 3: Poiseuilleströmning är strömningen som drivs av en konstant tryckgradient mellan två plana plattor. Lösning Liksom i förra exemplet får vi att v = 0. I likhet med förra exemplet så försvinner de flesta termer från rörelsemängdsekvationen. Tryckgradienten är dock nollskild. Alltså får vi 0 = 1 ρ K + u ν u y y = K µ u = 1 K µ y + Ay + B, () 4

där A och B är två integrationskonstanter. Randvillkoren ger nu u(0) = 0 B = 0 och u(h) = 0 A = 1 K µ h. (3) Hastighetsfältet ges alltså av u = 1 Volymsflödet (per längdenhet i z-led) ges av q = h 0 1 K y(h y). (4) µ K 1 K y(h y) dy = µ 1 µ h3. (5) Figure 4: Fluiden vill dra med sig plattorna och plattorna bromsar fluiden. Vi beräknar väggskjuvspänningen med hjälp av två olika metoder, en rent matematisk och en mer fysikalisk. Enligt den första metoden beräknar vi spänningen i x-led på en yta vars enhetsnormalvektor pekar i y-riktningen som τ yx = µe yx = µ y = 1 K (h y). (6) Den undre plattan har en enhetsnormalriktning som pekar i positiv y led. Därför är spänningen på den undre plattan τ v = τ yx y=0 = 1 Kh. (7) Att spänningen här är positiv betyder att den är riktad i positiv x-led. Den övre plattan har en enhetsnormalvektor som pekar i negativ y-led. Därför är spänningen på den övre plattan τ v = τ yx y=h = 1 Kh. (8) Föga förvånande är spänningen på den övre plattan densamma som på den undre plattan, till både storlek och riktning. Enligt den mer fysikaliska metoden så 5

bestämmer vi först riktningen eller tecknet av τ v genom vår fysikaliska intuition. Det är uppenbart att fluiden vill dra med sig plattorna, varför τ v är positiv. Det är också uppenbart att spänningen är densamma på båda plattorna. Alltså får vi på båda plattorna. τ v = µ y y=0 = 1 Kh (9) 6