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ENCH3FM: Navier  –Stokes equations Page 1 of  9 Differential equations of motion Th e  Navier  - Stokes  equations  The NavierStokes equations describe momentum balances across a differential  element of  incompressible  fluid in a particular  coordinate system. Newton’s second law of  motion states that the rate of  change of  momentum of  an element of  fluid is equal to the net force acting on the fluid Consider a differential  element of  flowing fluid. Let the fluid be Newtonian (viscosity μ is constant for constant T) and incompressible  (density ρ is constant for constant T). In a rectangular coordinate system, the element may be characterised by length δx, height δy and depth δz. By Newton’ssecond law,  the change of  momentum of  that element in the xdirection with time can be described by ·    ∑    ·     · ·     · · ·    It can be shown that this may be expressed mathematically  as  x  x  x  x  x  z  x  y  x  x  x g  z u  y u  x u  x P  z u u  y u u  x u u t u  ρ µ  ρ  +  ⎠  ⎞ ⎝ ⎛ + + + =  ⎠  ⎞ ⎝ ⎛ + + + 2 2 2 2 2 2  .............(66)  Where the LHS is the differential  change in momentum of  the element in the xdirection.  The first term on the RHS is due to differences of  pressure upstream and downstream (in the xdirection)  of  the element;  the second term is due to shear stresses acting on the surfaces of  the element in the xdirection,  and the final term is due to the force of  gravity on the element. Similar balances can be written for the yand zdirections to give a complete set of  differential  equations  in rectangular  coordinates:  

3. Navier Stokes Equations

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7/18/2019 3. Navier Stokes Equations

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ENCH3FM: 

Navier  

–Stokes 

equations 

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Differential equations of motionThe Navier -Stokes  equations 

The  Navier‐Stokes  equations  describe  momentum  balances  across  a  differential  element  of  incompressible fluid in a particular co‐ordinate system. 

Newton’s second law of  motion states that the rate of  change of  momentum of  an element of  fluid 

is equal to the net force acting on the fluid 

Consider a differential element of  flowing fluid. Let the fluid be Newtonian (viscosity μ is constant for 

constant T) and  incompressible  (density  ρ is constant  for constant T).  In a rectangular co‐ordinate 

system, the element may be characterised by length δx, height δy and depth δz. By Newton’ssecond 

law, the change of  momentum of  that element in the x‐direction with time can be described by 

·    ∑   

·    

· ·     · · ·  

 

It can be shown that this may be expressed mathematically as 

 x x x x x

 z x

 y x

 x x g

 z

u

 y

u

 x

u

 x

P

 z

uu

 y

uu

 x

uu

u ρ µ  ρ    +⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂−=⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂2

2

2

2

2

2

  .............(66) 

Where the LHS  is the differential change  in momentum of  the element  in the x‐direction. The first 

term on the RHS is due to differences of  pressure upstream and downstream (in the x‐direction) of  

the element; the second term is due to shear stresses acting on the surfaces of  the element in the x‐

direction, and the final term is due to the force of  gravity on the element. 

Similar  balances  can  be written  for  the  y‐ and  z‐directions  to  give  a  complete  set  of   differential 

equations in rectangular co‐ordinates: 

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Navier  

–Stokes 

equations 

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In rectangular co-ordinates 

x‐component   x x x x x

 z x

 y x

 x x g

 z

u

 y

u

 x

u

 x

P

 z

uu

 y

uu

 x

uu

u ρ µ  ρ    +⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂−=⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂2

2

2

2

2

2

 

y‐component   y

 y y y y

 z

 y

 y

 y

 x

 yg

 z

u

 y

u

 x

u

 y

P

 z

uu

 y

uu

 x

uu

u ρ µ  ρ    +

⎟⎟

 ⎠

 ⎞

⎜⎜

⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂−=⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂2

2

2

2

2

2

 

z‐component   z z z z z

 z z

 y z

 x z g

 z

u

 y

u

 x

u

 z

P

 z

uu

 y

uu

 x

uu

u ρ µ  ρ    +⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂−=⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂2

2

2

2

2

2

 

These  are  the differential  equations of  motion,  or  the Navier‐Stokes  equations  that  describe  the 

changes in velocity (direction and magnitude) of  a package of  incompressible fluid as a result of  the forces acting on that fluid. 

These may also be written in cylindrical co‐ordinates: 

In cylindrical co-ordinates 

r‐component 

( )   r 

 zr 

 z

r r 

g

 z

uu

u

ru

r r r 

P

 z

uu

uu

u

uu

u

 ρ 

θ θ 

µ 

θ  ρ 

θ 

θ θ 

+⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜

⎝ 

⎛ 

∂+

∂−

∂+⎟

 ⎠

 ⎞⎜

⎝ 

⎛ 

∂+

∂−=

⎟⎟

 ⎠

 ⎞

⎜⎜

⎝ 

⎛ 

∂+−

∂+

∂+

2

2

22

2

2

2

211

 

θ‐component 

( )   θ θ θ 

θ 

θ θ θ θ θ θ 

 ρ θ θ 

µ 

θ θ  ρ 

g z

uu

u

r ru

r r r 

P

r  z

uu

uuu

u

uu

u

 zr 

+⎟⎟ ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂−

∂+⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂−=⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ 

∂+−

∂+

∂+

2

2

22

2

2

211

1

 

z‐component 

 z

 z z z

 z z

 zr 

 z

g z

uu

r r 

ur 

r r 

 z

P

 z

uu

u

u

uu

u

 ρ θ 

µ 

θ  ρ    θ θ 

+

 ⎠

 ⎞

⎝ 

⎛ 

∂+

∂+⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂−=⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

2

2

2

2

2

11 

There  are no  general  solutions  to  the Navier‐Stokes  equations. However,  it  is possible  to  reduce 

these  equations  to  forms  that  can be handled manually by  identifying which of   the  terms  in  the 

above expressions are negligible and can be eliminated. 

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Navier  

–Stokes 

equations 

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The full set of  equations can only be used by finite element computing programmes (computational 

fluid dynamics) that are used for predicting fluid dynamics in complicated geometries. 

Boundary Conditions 

Boundary conditions are needed to solve differential equations in fluid flow. 

A number of  commonly used boundary conditions are included below: 

1. 

The velocity of  a fluid particle in contact with a boundary at rest is zero. 

2.  The velocity of  a fluid particle in contact with a moving boundary is the same as the velocity 

of  the moving boundary. 

3.  For two immiscible liquids flowing through a pipe: 

a. 

the  fluids  particles  have  a  common  velocity  at  the  liquid‐liquid  interface;  ie 

1 2liquid liquid  v v= 

b.  the fluids particles have a common momentum flux perpendicular to the surface; ie 

1 21 2liquid liquid  

dv dv

dx dxµ µ =

 at the interface 

where  μliquid1 is the viscosity of  liquid 1 and μliquid2 is the viscosity of  liquid 2 

v1 is the velocity distribution for liquid 1 

v2 is the velocity distribution for liquid 2 

is the velocity gradient  in x‐direction (it can be  in y‐direction, r‐direction, 

θ, etc  – depending on the system of  coordinates) 

4. 

At liquid‐gas interfaces the momentum flux (hence the velocity gradient) in the liquid phase 

is very nearly zero and can be assumed to be zero in most calculations. 

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Navier  

–Stokes 

equations 

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 Applications of  Navier-Stokes equations 

1. Steady Laminar flow between fixed parallel plates (infinite plates) 

Consider laminar flow between two horizontal infinite parallel plates as shown in the figure below 

x

y

U x 

h

h

 

The flow is in the x‐direction and we therefore need the x‐component of  the Navier Stokes equations 

i.e. 

 x x x x x

 z x

 y x

 x x g

 z

u

 y

u

 x

u

 x

P

 z

uu

 y

uu

 x

uu

u ρ µ  ρ    +⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂−=⎟⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂2

2

2

2

2

2

 

Simplifications 

• 

There are no flows in the y and z directions and therefore there is no velocity in the y and z 

directions. I.e. uy and uz = 0. 

• 

There is no change in velocity along the x‐axis (uniform flow) i.e.    0 

• 

There is no variation of  ux in the z‐direction. I.e. 

  0, but ux = f(y) 

• 

the flow is steady state i.e   0. 

• 

The plates are horizontal and therefore there is no effect of  gravity. I.e.   0 

Reduce the Navier  –stokes equation by applying the above conditions: 

⎟⎟ ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂−=

2

2

0 y

u

 x

P   xµ    or ⎟⎟ ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂=

∂2

2

 y

u

 x

P   xµ   

The velocity ux is a function of  only y (i.e. ux=f(y)) and therefore. 

  

 i.e 

 

   which can now be integrated to obtain 

   

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Navier  

–Stokes 

equations 

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i.e.   

 

Where C1 is a constant of  integration. 

Further integration yields 

i.e. 

  

   

Where C2 is a constant of  integration. 

(Note: in this case  is regarded as constant for integration since the integration is with respect to y 

direction and P is not a function of  y.) 

C1 and C2 can be determined with the help of  the boundary conditions. 

The two plates are fixed; 

At y=+h; ux=0; 

0  

   

At y= ‐h; ux=0; 

0  

   

Thus,  C1=0 and    

 

Therefore 

   

   

and the velocity profile is parabolic. 

Volumetric flow rate Q 

The volumetric  flow rate, Q  between the  two parallel plates  (for a unit width  in the z direction)  is 

obtained from the relationship 

 · · ∆   (=velocity × cross‐sectional area [=] m3/s) 

∆ 1 (for a unit width) 

Therefore 

     

 

   

   

The pressure gradient is negative as the pressure decreases in the direction of  flow. 

If  we make the approximation 

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Navier  

–Stokes 

equations 

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   ∆

ℓ 

Then   

∆ℓ 

The volumetric flow rate  is directly proportional to the pressure gradient,  inversely proportional to 

the viscosity and strongly dependent on the distance between the plates. 

 Average velocity, uave 

For a unit depth between  the plates  i.e. ∆ 1,  the overall volumetric  flow may be described by 

Q  = cross sectional area × average velocity 

i.e.   · ∆ · ∆    · 2 · 1  

Therefore the average velocity can be described by 

     

 

∆ℓ 

The maximum velocity, umax 

The maximum velocity umax occurs midway (i.e. at y=o) between the two plates. 

i.e consider the original equation for ux. 

   

   

When y = 0, 

,   

0    

 

Note that we can calculate directly the relationship between umax and uave: i.e. 

,

∆ℓ

∆ℓ

  

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Navier  

–Stokes 

equations 

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2.  Steady  Laminar  flow  of   a  liquid  (with  constant   density  and  viscosity) 

through a horizontal circular pipe of  radius, R and length, L 

Consider steady laminar flow of  an incompressible Newtonian fluid in a circular pipe: 

r

z

R

The flow is in the z‐direction and we therefore need the z‐component of  the Navier‐Stokes equations 

in cylindrical coordinates i.e. 

 z

 z z z z

 z

 z

 z g z

uu

r r 

ur 

r r  z

P

 z

uu

u

u

uu

u ρ 

θ µ 

θ  ρ    θ θ  +⎟

⎟ ⎠

 ⎞⎜⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂−=⎟

 ⎠

 ⎞⎜⎝ 

⎛ 

∂+

∂+

∂+

∂2

2

2

2

2

11

 

Simplifications 

•  There is no flows in the r direction and no flow around the pipe axis (θ‐direction); therefore θ     0  

• 

There is no change in velocity along the z‐axis (uniform flow) i.e.    0 

• 

There is no variation of  uz in the θ‐direction. I.e.     

  0, but uz =  f (r) 

• 

The flow is steady state i.e    0. 

• 

The pipe is horizontal and therefore there is no effect of  gravity. I.e.   0 

Reduce the Navier  –stokes equation by applying the above conditions: 

The equation reduces to 

0  

     

   

The velocity uz is a function of  only r (i.e. uz =  f (r))and therefore     

 . 

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Navier  

–Stokes 

equations 

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So the equation becomes 

 

   

Or 

 

 

   

This may be integrated to obtain 

 

    

Setting r = 0, it can be seen that C1+0 = 0, or C1 = 0; 

Therefore 

 

   

And integrating for a second time gives 

   

   

The boundary condition for this problem is that at r=R, uz = 0 (i.e. no slip at the walls) 

Thus  0  

   

Gives     

 

And finally     

 

 

   

1  

 

The pressure gradient is negative as the pressure decreases in the direction of  flow. 

As before, If  we make the approximation 

   ∆

ℓ 

Then     

  1  

 

i.e., the velocity profile is parabolic 

As  before,  the  pressure  gradient ,  is  treated  as  a  constant  as  far  as  integration  is  concerned 

because the integration is with respect to r direction and also P is not a function of  r. 

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Navier  

–Stokes 

equations 

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The maximum velocity (umax) 

From the velocity profile, the velocity is maximum when r=0 

i.e  ,   

∆ℓ 

 

The volumetric flow rate, Q 

As before, the volumetric flow rate is 

 Therefore integrating with respect to r and θ gives 

   

∆ℓ 

1  

 

   

 

∆ℓ 

  1  

   

   

Integrating wrt θ:   

∆ℓ 

2   1  

   

Integrating by parts gives 

 

∆ℓ 

2

   

Thus the solution is   

∆ℓ 

Which  is  the  Hagen‐Poiseuille  equation  for  laminar  flow  in  a  circular  pipe, which was  originally 

determined using an energy balance (equation 15). Clearly the two approaches are equivalent. 

Mean velocity, uave 

Mean velocity, uave is given by Q/Area, i.e. 

    

 

   

 

Thus   4

8∆ℓ

   18

∆ℓ  2

 

In  this  case,  it  can be  seen  that  the  volumetric average  velocity uave  is exactly ½ ×  the maximum 

velocity (umax).