工程流体力学第四章2
工程流体力学分析,ansys
Chapter 4 Differential Relations For Viscous Flow4.1 Preliminary Remarks* Two ways in analyzing fluid motion (1) Seeking an estimate of gross effects over a finite region or control volume.
Integral(2) Seeking the point-by-point details of a flow pattern by analyzing an infinitesimal region of the flow.
Differential
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* Viscous flow Viscosity is inherent nature of real fluid. Strain(剪切) is very strong in internal flow. * Two forms of flow Turbulent(湍,紊) flow, laminar(层)flow Turbulent Flow VS. Laminar Flow TransitionReynolds tank
UL Reynolds Re 惯性力/粘性力 number
Osbrone Reynolds 2
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4.2 The Acceleration Field of a Fluid V (r , t ) iu( x, y, z, t ) jv( x, y, z, t ) kw( x, y, z, t ) dV du dv dw a i j k dt dt dt dt
du u u x u y u z dt t x t y t z t
u u u u u v w t x y zLocal acceleration 0 unsteady t
Nonlinear terms
Convective acceleration
nonuniform
0 xi3
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V a (V )V tIn the like manner Any property Φ
, T ... D (V ) Dt t
D (V ) Dt t
Substantial (Material) derivative 随体(物质、全)导数
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Example 2 Given V 3ti xzj ty k .
Find the acceleration of a particle.u 3t, v xz, w ty 2du u u u u u v w 3 dt t x y z
dv v v v v u v w 3tz ty 2 x dt t x y z
dw w w w w y 2 2tyxz u v w dt t x y z5
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4.3 Differential Equation of Mass ConservationX inlet (mass flow)y ( u) dx]dydz x
udydz u mass flux per unit areaX outlet udydz
dy
[ u
x
( u) dz [ u dx]dydz z x dx ( u) X flow out dxdydz Infinitesimal fixed CV x ( v) ( w) dxdydz In the like manner dxdydz y z Flow out off the CV ( V )dxdydz6
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dxdydz Loss of mass in the CV t ( u ) ( v) ( w) dxdydz dxdydz dxdydz dxdydz x y z t ( u ) ( v) ( w) dxdydz dxdydz dxdydz dxdydz 0 t x y z
( u ) ( v) ( w) 0 t x y z u v w V 0 t x y z
( V ) 0 t
d V 0 dt7
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For steady flow ( V ) 0 For incompressible flow V 0Example 1 Under what conditions does the velocity field V (a1 x b1 y c1 z )i (a2 x b2 y c2 z ) j (a3 x b3 y c3 z )k
represents an incompressible flow which conserves mass? ( where ai , bi , ci const )8
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Solution
u
a1x b1 y c1z v a2 x b2 y c2 zContinuity for incompressible flow u v w 0 x y z
w a3 x b3 y c3 za1 b2 c3 0
Example 2 An incompressible velocity field: u=a(x2-y2),w=b, a,b are const,what v=?Solution
u v w 0 x y z
v 2ax 0 y
v 2ax y
v 2axy f ( x, z, t )
An arbitrary function of x,z,t
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Assignment: P264: P4.1(a), P4.2, P4.4 ,P4.9(a)
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4.4 Differential Equation of Linear Momentum Newton’s second law dV F ma dxdydz dt dV dxdydz Fb Fs dtdx
dy
Fb R dxdydz
dz
( Xi Yj Zk ) dxdydz
Elemental volume
What are the surface forces Fs on the elemental volume?11
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Surface force on an elemental volume:
for the two surfaces x Px dydz Px Surface stress
Px ( Px dx)dydz x
Pxdx
Px Px dx x dy
dz
Vector Sum
Px dxdydz x
for the two surfaces y, zNet Surface Force:
dxdydz y Px Py Pz Fs ( )dxdydz x y z
Py
Pz dxdydz z
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It is not these stresses but their gradient, which cause a net force on the differential volume. Px Py Pz dV dxdydz Rdxdydz ( )dxdydz dt x y z dV 1 Pi R [ ] dt xi
Momentum equation
Px xxi xy j xz kIn the like manner Py yxi yy j yz k Pz zxi zy j zz k
xy
xz
xx
Px
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xx xy xz yx yy yz zx zy zz
ij
Tensor 张量
ij ji i j
6
xx yx zx xy yy zy Fs [( )i ( )j x y z x y z xz yz zz ( )k ]dxdydz x y z
du 1 xx yx zx X ( ) dt x y z
dv dw ... ... dt dt14
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dui 1 ji Xi ( ) Momentum equation(角标表示法) dt x j
du w dy
u ui xy ij ~ y x j
Constitutive Relation 本构
Newton’s Law (广义牛顿内摩擦定律) 2 ij 2 Sij ( V ) ij P ij 3
1 ui u j Sij ( ) 2 x j xi
ij
1
i ji j15
0
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2 ij 2 Sij ( V ) ij P ij 3 u 2 xx 2 ( V ) P x 3 v 2 yy 2 ( V ) P y 3
u v xy ( ) y x u w xz ( ) z x w v yz ( ) y z
w 2 zz 2 ( V ) P z 3
Newton flu
id, linear fluid (牛顿流体,线性流体)
Substitute Newton’s Constitutive Relation into ME16
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