Уравнения Навье–Стокса. От теории к решению практических задач

Решение практических задач гидромеханики на основе уравнений Навье-Стокса для вязкой несжимаемой жидкости. Методика решения основных уравнений в результате применения метода Навье. Известные методы математической физики и дифференциальных уравнений.

Рубрика Физика и энергетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 26.06.2018
Размер файла 412,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уравнения Навье-Стокса. От теории к решению практических задач

Коптев А. В.

Аннотация

гидромеханика уравнение жидкость дифференциальный

В работе предложен подход к решению практических задач гидромеханики на основе уравнений Навье - Стокса для вязкой несжимаемой жидкости. В результате применения метода решение основных уравнений сводится к решению пяти более простых задач. Каждая из этих отдельных задач решается с помощью известных методов математической физики и дифференциальных уравнений. В итоге применение предлагаемого метода предоставляет возможность для аналитического и приближенно-аналитического решения 2D и 3D уравнений Навье - Стокса и построения решений конкретных практических задач.

Ключевые слова: движение, вязкая несжимаемая жидкость, уравнение в частных производных, интеграл.

 Koptev A. V.

PhD in Physics and Mathematics, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

THE NAVIER - STOKES EQUATIONS. FROM THEORY FORWARD TO SOLUTION OF PRACTICAL PROBLEMS

Abstract

On the paper under consideration we propose an approach to the solution of practical problems of fluid mechanics based on the Navier - Stokes equations for viscous incompressible fluid flow. As a result, the solution of the governing equations is reduced to the solution of five simple tasks. Each of these separate tasks is considered using known methods of mathematical physics and differential equations. As a result, the application of the proposed method provides the ability for analytical and approximate analytical solutions 2D and 3D Navier - Stokes equations and constructing solutions for specific practical problems.

Keywords: motion, viscous incompressible fluid, partial differential equation, integral.

The Navier - Stokes equations describe the motion of fluids and gases in the presence of viscosity. These equations are nonlinear and represent not only mathematical interest but also serve as a basis for the solution of many practical problems. They are of particular interest for areas where the viscous friction effects play an important role. These areas include: oil production, shipbuilding, hydrology, meteorology, tribology.

If the potential of external forces then 3D Navier - Stokes equations for viscous incompressible fluid flow on dimensionless variables look as [1].

Where major unknowns are velocities u, v, w and pressure p. Each of them is a function of four independent variables x, y, z, t. On right hand sides of (1-3) Д designated Laplace operator in the spatial coordinates.

The potential of external force designated as Ц. It is a given function. is the Reynolds number. This value represents a predetermined non-negative parameter.

For today many issues associated with the equations (1-4) have not been studied enough and require more deep investigation [2-3]. No detailed description of the laminar- turbulent transition, not fully solved the problem of existence for smooth solution, not clear asymptotic of the solution for large values of Reynolds number. But the main unresolved problem is the lack of constructive method for solving the equations. As in the general case to solve equations (1-4) while maintaining the non-linear terms, this issue needs to be resolved.

In this paper we proposed to describe a new method for practical solution to the Navier - Stokes equations (1-4). The essence of the proposed approach is to reduce the basic problem of resolution of (1-4) to a set of simple tasks. We face five more simple tasks which should be consistently resolved.

1. Each of the separate equations (1-4) can be represented in the divergent form as

where Pi, Qi, Ri, Si denotes some combinations of major unknowns u, v, w, p and their first derivatives with respect to coordinates. Every equation of the form (5) allows integration in general

Where , k=1,2,…,6 are some twice differentiable functions in four variables and are an arbitrary functions in three variables under conditions

While 3D Navier - Stokes equations including the continuity one combine four ratios as (5), so we obtain relations as (6) for everyone of i=1,2,3,4. In sum, we get sixteen relations of the specified kind.

2. Equality of the form (6) can be converted so as to exclude any nonlinear and non-divergent terms. As the result we arrive to nine equations linked major unknowns u, v, w, p, associated ones Шi , i=1,2, …, 15 and an arbitrary additive functions in three variables  . These equations look as

In equation (7) used the new designation. U is the velocity module, d and are dissipative terms calculated as

For associated unknown in compared to (6) we introduce more simple designation and propose the name as stream pseudo function [4-5]. Considered together nine ratio (7-15) provide the first integral of Navier - Stokes equations.

3. Of the nine received there five nonlinear relationships (8-12). They contain quadratic nonlinear terms. These nonlinear equations can be resolved relative to six unknown Шj, where j=10,11,…, 15 only if satisfied the two conditions of compatibility. Each of them reduce to one equation of the fifth order with respect to nine unknown Шk, where k=1,2,…, 9. These two equations can be called the generator of solutions of 3D Navier - Stokes equations. For more simple case of 2D motion such generating equation is only one [5]. All solutions obtained by this way have a similar structure [4]. The structural formulas for solution of original equations (1-4) given by (7), (13-15).

4. To complete the solution remains to find unknown p. To do this you must at first determine six unknown Шj, where j=10,11,…, 15. Three of them can be set arbitrary. Those unknown are the next Ш13, Ш14, Ш15.The remaining three ones are defined as solution of linear inhomogeneous equations

where represent is already known functions.

Equation of the form (14) can be solved by standard methods.

5. All values presents in the right hand sides of structure formula (7), (13-15) are defined. Unknown p is easy to calculate. As a result all of the major unknown u, v, w, p are found out. The solution of the Navier - Stokes equations is fully built. Note that similar approach can be applied to construct solutions of the Euler equations which describe an ideal fluid flow. It suffices to set in all relationships .

Fair following conclusions. When implementing this approach is important the introduction of new associated unknowns . Due to this fact the solution of the Navier - Stokes equations for some cases is possible to obtain in closed form.

Among the described above individual tasks most difficult is third one. But at this stage as an enabling factor have a significant excess in the number of unknowns over number of equations. We have nine unknown and only two equations. This fact is convenient for solving practical problems.

The approach described above can be successfully applied to solve a wide range of practical tasks. Solutions of some tasks considered in [5-8].

References

1. Loitsyanskiy L. G. Mechanics of fluid and gas // Nauka, Moscow. - 1987.

2. Ladyjzenskaya O. A. The mathematical theory of viscous incompressible fluid // Gordon and Breach, New York. - 1969.

3. Charles L. Fefferman. Existence and smoothness of the Navier - Stokes equation // Preprint, Princeton university, Math. Dept., Princeton, NJ, USA. - 2000. - P. 1-5.

4. Koptev A. V. The structure of solution of the Navier - Stokes equations // Bulletin of the national research nuclear university MEPI. - 2014. - 3(6). - P. 556-560.

5. Koptev A. V. Generator of solution of 2D Navier - Stokes equations // Journal of Siberian federal university, Math. & Phys. - 2014. - 7(3). - P. 324-330.

6. Koptev A. V. Dynamic response of the underwater pipeline on the sea currents // Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. adm. S.O. Makarova. - 2014. - 4(26). - P. 107-114 (in Russian).

7. Koptev A.V. Research of influence of underwater current on the dynamics of the ship // Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. adm. S.O. Makarova. - 2015. - 2(30). - P. 16-23 (in Russian).

8. Koptev A. V. Theoretical research of the flow around the cylinder of an ideal incompressible medium in the presence of a shielding effect // Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. adm. S.O. Makarova. - 2016. - 2(36). - P. 127-137 (in Russian).

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Идеальная жидкость как жидкость без внутреннего трения. Безнапорное движение - движение жидкости в канале. Решение дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Преобразование Лапласа для временных и преобразование Фурье для пространственных переменных.

    курсовая работа [220,9 K], добавлен 09.11.2011

  • Силы и коэффициент внутреннего трения жидкости, использование формулы Ньютона. Описание динамики с помощью формулы Пуазейля. Уравнение Эйлера - одно из основных уравнений гидродинамики идеальной жидкости. Течение вязкой жидкости. Уравнение Навье-Стокса.

    курсовая работа [531,8 K], добавлен 24.12.2013

  • Уравнение теплового баланса. Теплота, подведенная теплопроводностью и конвекцией, к элементарному объему. Общий вид дифференциального уравнения энергии Фурье-Кирхгофа. Применение ряда Тейлора. Дифференциальное уравнение движения жидкости Навье-Стокса.

    презентация [197,5 K], добавлен 18.10.2013

  • Конвективный теплообмен - распространение тепла в жидкости (газе) от поверхности твердого тела или к ней. Смысл закона Ньютона, дифференциального уравнения Фурье - Кирхгофа и критериального уравнения Навье – Стокса. Теплоотдача при конденсации паров.

    реферат [208,1 K], добавлен 15.10.2011

  • Выведение уравнения движения вязкой несжимаемой жидкости - уравнения Стокса. Рассмотрение основных режимов движения жидкости в горизонтальных трубах постоянного поперечного сечения - ламинарного и турбулентного. Определение понятия профиля скорости.

    презентация [1,4 M], добавлен 14.10.2013

  • Современная общая теория дифференциальных уравнений. Обзор основных понятий и классификации дифференциальных уравнений в частных производных. Уравнение теплопроводности. Начальные и граничные условия. Численное решение уравнений математической физики.

    курсовая работа [329,9 K], добавлен 19.12.2014

  • Уравнение неразрывности потока жидкости. Дифференциальные уравнения движения Эйлера для идеальной жидкости. Силы, возникающие при движении реальной жидкости. Уравнение Навье - Стокса. Использование уравнения Бернулли для идеальных и реальных жидкостей.

    презентация [220,4 K], добавлен 28.09.2013

  • Общая характеристика законов динамики, решение задач. Знакомство с основными видами сил. Особенности дифференциальных уравнений движения точки. Анализ способов решения системы трех дифференциальных уравнений второго порядка, рассмотрение этапов.

    презентация [317,7 K], добавлен 28.09.2013

  • Теоретическое описание метода Ньютона. Решение нелинейных уравнений узловых напряжений в форме баланса токов. Влияние установившегося отклонения напряжения на работу электропотребителей. Аналитическая запись решения и численный расчет энергосистемы.

    контрольная работа [911,1 K], добавлен 15.01.2014

  • Модели сплошной среды–идеальная и вязкая жидкости. Уравнение Навье-Стокса. Силы, действующие в атмосфере. Уравнение движения свободной атмосферы. Геострофический ветер. Градиентный ветер. Циркуляция атмосферы. Образование волновых движений в атмосфере.

    реферат [167,4 K], добавлен 28.12.2007

  • Особенности вывода дифференциальных уравнений осесимметрических движений круглой цилиндрической оболочки. Построение частного волнового решения основной системы уравнений гидроупругости вещества. Метод решения уравнения количества движения для жидкости.

    курсовая работа [125,7 K], добавлен 27.11.2012

  • Уравнения гиперболического типа с частными производными 2-го порядка, решение равенства свободных колебаний струны методом разделения переменных. Описание дифференциальных уравнений теплопроводности для полубесконечного стержня в виде интеграла Пуассона.

    курсовая работа [480,7 K], добавлен 05.05.2011

  • Основные положения математической физики и теории дифференциальных уравнений. Поперечные колебания. Метод разделения переменных или метод Фурье. Однородные линейные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

    дипломная работа [365,5 K], добавлен 08.08.2007

  • Постановка задачи дифракции и методы ее решения. Сведения о методах решения задач электродинамики. Метод вспомогательных источников. Вывод интегральных уравнений Фредгольма второго рода для двумерной задачи. Численное решение интегрального уравнения.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 13.01.2011

  • Основная задача динамики, применение законов Ньютона. Применение основного закона динамики и дифференциальных уравнений движения материальной точки при решении задач. Основные свойства внутренних и внешних сил механической системы. Вычисление работы сил.

    курсовая работа [347,8 K], добавлен 11.05.2013

  • Теория движения жидкости. Закон сохранения вещества и постоянства. Уравнение Бернулли для потока идеальной и реальной жидкости. Применение уравнения Д. Бернулли для решения практических задач гидравлики. Измерение скорости потока и расхода жидкости.

    контрольная работа [169,0 K], добавлен 01.06.2015

  • Сущность метода Стокса по определению коэффициента вязкости. Определение сил, действующих на шарик при его движении в жидкости. Оценка зависимости коэффициента внутреннего трения жидкостей от температуры. Изучение ламинарных и турбулентных течений.

    лабораторная работа [1001,4 K], добавлен 15.10.2010

  • Основные формы уравнений Максвелла, дифференциальная форма уравнений. Свойства уравнений Максвелла. Общие представления о колебательных и волновых процессах. Гармонические колебания, их характеристики и использование. Теоремы векторного анализа.

    презентация [114,1 K], добавлен 24.09.2013

  • Уравнение Шредингера и физический смысл его решений. Волновые функции в импульсном представлении. Методы численного решения уравнений: преобразование Фурье, аппроксимации оператора эволюции, способ Нумерова. Программная реализация задач средствами Java.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 19.01.2011

  • Экспериментальная проверка формулы Стокса и условий ее применимости. Измерение динамического коэффициента вязкости жидкости; число Рейнольдса. Определение сопротивления жидкости, текущей под действием внешних сил, и сопротивления движущемуся в ней телу.

    лабораторная работа [339,1 K], добавлен 29.11.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.