ทำไมเราถึงมองข้ามคำเฉื่อย (แต่ไม่ใช่ความหนืด) ใน Navier-Stokes ที่การไหลต่ำและความหนืดสูง


8

ทำไมเราถึงมองข้ามคำเฉื่อย (แต่ไม่ใช่ความหนืด) ใน Navier-Stokes ที่การไหลต่ำและความหนืดสูง

กรอก Navier-Stokes:ρDv→Dt=ρg−∇P+μ∇2v→

คำเฉื่อย: Z}Dv→Dt=∂v→∂t+∂v→∂xvx+∂v→∂yvy+∂v→∂zvz

และในขณะที่เราคิดว่าการไหลและอัตราคงที่:Z} และดังนั้นจึงเป็นไปตามเงื่อนไขเฉื่อยที่สามารถละเว้นได้∂v→∂t=0,∂v→∂x≈0,∂v→∂y≈0,∂v→∂z≈0

อย่างไรก็ตามในเนื้อหาของฉันมันก็ยังระบุว่าจะเป็นคำที่มีอำนาจเหนือในช่วงสถานการณ์เหล่านี้ ทำไมมันจะไม่เป็นเช่นนั้นเช่นกัน? ∇ 2 → วี → ∂ 2 → วีμ∇2v→∇2v→→∂2v→∂x2≈0,∂2v→∂y2≈0,∂2v→∂z2≈0→μ∇2v→≈0


คุณสามารถอ้างอิงหนังสือ / เอกสาร / ฯลฯ ได้ไหม ที่ทำให้การเรียกร้องนี้ มันจะช่วยให้เห็นมันในบริบท
— คาร์ลตัน

หนังสือเรียนคือ "ความรู้พื้นฐานของโมเมนตัมการถ่ายเทความร้อนและมวล" โดย Welty Rorrer และ Foster น่าเสียดายที่นี่เป็นปัญหาในเอกสารปัญหาฝึกหัดในสวีเดนดังนั้นฉันไม่แน่ใจว่ามันจะช่วยได้มากแค่ไหน
— Raoul

ฉันมีหนังสือเล่มที่ 4 (ฉบับภาษาอังกฤษ) ฉันจะดูและดูว่าพวกเขาอธิบายเพิ่มเติมหรือไม่
— คาร์ลตัน

มันค่อนข้างผิดพลาด / ผิดที่ระบุว่าและฉันสามารถเข้าใจความสับสนของคุณเกี่ยวกับอนุพันธ์อันดับสอง! หากมีปัญหาการปฏิบัติจะทำโดย TA / อาจารย์ (s) เขาจริงๆควรทบทวนพื้นฐานของกลศาสตร์ของไหล ...∂βuα≈0
— nluigi

@nluigi ฉันไม่เห็นว่าคุณได้รับจากคำถามของ OP หรือแม้แต่ความหมายที่แสดงออก สิ่งที่และและสิ่งที่เป็น WRT ค่าหรือไม่ ∂βuα≈0βα
— ซาด Saeeduddin

คำตอบ:


4

โดยทั่วไปสิ่งที่ส่อให้เห็นโดยอัตราการไหลต่ำและความหนืดสูงคือเรากำลังติดต่อกับการไหลของจำนวนเรย์โนลด์ต่ำที่เรียกว่า จำนวนเรย์โนลด์สคือจำนวนไร้มิติซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงเฉื่อย ( ) และแรงหนืด ( ): สำหรับกองกำลังความหนืด (ราบเรียบระบอบการปกครอง) และสูงแรงเฉื่อยกองกำลังครองอำนาจ (ระบอบปั่นป่วน) ตัวเลขที่ไม่มีเช่นρUUμU/L

Re=ρUUμU/L=ρULμ
ReReReแสดงอย่างเป็นธรรมชาติผ่านกระบวนการที่เรียกว่า 'การขยาย' ซึ่งทำให้สมการไม่เป็นมิติ จากขั้นตอนนี้จึงเป็นไปได้ที่จะบอกว่าคำศัพท์ใดที่ไม่สำคัญโดยพิจารณาจากค่าของตัวเลขไร้มิติที่เกี่ยวข้อง สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมโปรดดูคำตอบของฉันนี้คำถาม

ในทางเทคนิคการพูดว่า 'การไหลต่ำและความหนืดสูง' ไม่เพียงพอที่จะบอกว่าเรากำลังจัดการกับการไหลเพราะมันยังขึ้นอยู่กับสเกลความยาว (โดยปกติคือเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ ฯลฯ ) และความหนาแน่น ( ของอากาศหรือน้ำ) แต่โดยทั่วไปมันก็ส่อให้เห็นว่าเป็นกรณีReLρ

ตอนนี้พูดว่าอัตราการไหลต่ำที่ไม่ถูกต้อง; สิ่งที่คุณอาจจะหมายความว่า\ สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความเรียบง่ายของสมการโดยบอกว่าซึ่งทางร่างกายหมายถึงข้อกำหนดเฉื่อยนั้นเล็กน้อยมากเมื่อเทียบกับคำศัพท์ที่มีความหนืด ไม่ได้หมายถึงค่อนข้างต่ำอัตราการไหลหมายถึงในขณะที่อาจมีนัยสำคัญ พิจารณาการประมาณลำดับความสำคัญของ∂βuα≈0uβ∂βuα≪μ∂β2uαuβ∂βuα≈0uβ∂βuα≈0∂βuα≈0uβ≈0∂βuα∂βuα∼U/L; สำหรับค่าเล็ก ๆ ของ (ก่อให้เกิด ) มันอาจใหญ่กว่าคำสั่งมาก การวิเคราะห์ลำดับความสำคัญของคำที่มีความหนืดคล้ายกันแสดงว่าสิ่งเหล่านี้จะมีความสำคัญยิ่งกว่า ดังนั้นเหตุผลที่ข้อกำหนดเฉื่อยไม่สำคัญ แต่มีความหนืดไม่LRe∂ 2 β u α ∼ U / L 2O(U)∂β2uα∼U/L2


2

เนื่องจากเทอมสุดท้ายเป็นสัดส่วนกับและไม่ใช่คำนั้นมีขนาดใหญ่แม้ว่าขนาดของความเร็วจะเล็ก พิจารณากรณีที่เรียบง่ายของการไหลราบเรียบไม่มีการลื่นไหลในท่อ x ที่มุ่งเน้น นี่คือการไหลทิศทางเดียวเพื่อให้เราสามารถทิ้งและและมุ่งเน้นยูเราจะพิจารณาตามความเร็วการไหลที่มีขนาดเล็ก | → v | V W U∇2v→|v→|vwu

เพียงเพราะเล็ก แต่ไม่ได้หมายความว่าเราสามารถสรุปได้ว่านั้นก็เล็กด้วยเช่นกัน ในความเป็นจริงยิ่งท่อแคบขนาดของยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น เมื่อมองไปที่สนามไล่ระดับสีของความเร็วแนวนอนเราจะเห็นว่ามันมีแนวโน้มที่จะชี้เข้าด้านในไปยังศูนย์กลางของท่อโดยที่ความเร็วสูงสุด นี่หมายความว่าเรามีความแตกต่างในเชิงลบซึ่งขนาดขึ้นอยู่กับความคมชัดของการเปลี่ยนแปลงในความเร็วและไม่ใช่ขนาดโดยรวม∇ ยู∇ ยูu∇u∇u

ดังนั้นไม่มีนัยสำคัญซึ่งแน่นอนว่าเป็นเพียง Navier Stokes ทำนายแนวโน้มของแรงหนืดอย่างแม่นยำ ในสถานะคงที่การไหลของท่อในแนวนอน (หรือคุณอาจเรียกว่าความจำเป็นของการปล่อยแรงดันเพื่อบังคับให้ไหลกับแรงหนืดตามที่คุณต้องการ) ยกเลิกข้อตกลงแรงโน้มถ่วงและเวลาที่แตกต่างออกไปและดูด้วยตัวคุณเอง∇2v→={−|∇2u|,0,0}

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.