Õppetund
Teooria — Navier–Stokes: voolamine ümber silindri
Navier–Stokesi võrrandid on Newtoni teine seadus vedeliku jaoks: iga väike osake kiirendab sellele mõjuva rõhu ja naabrite viskoosse takistuse all. Vedeliku puhul, mida ei saa kokku suruda, on need kujul ∂u/∂t + (u·∇)u = −∇p/ρ + ν∇²u ja ∇·u = 0, kus u on kiirus, p on rõhk, ρ on tihedus ja ν on kinemaatiline viskoossus.
Mida iga sümbol tähendab
Re- Reynoldsi arv UD/ν, mis tuleneb voolukiirusest U, silindri diameetrist D ja kinemaatilisest viskoossusest ν. Samm 1 näitab, et see on ainus võrranditesse jäänud konstant
St- Strouhali arv fD/U, eraldumissagedus f ühikutes U/D
C_D- takistustegur: silindri ühikupikkusele mõjuv takistus jagatud avaldisega ½ρU²D
A- võnkeamplituud: pool külgsuunalise kiiruse tipust tipuni väärtusest kolm diameetrit silindri taga, murdosana kiirusest U
ω- pöörisus ∂v/∂x − ∂u/∂y, kahekordne kiirus, millega vedelikuosake pöörleb. Seda tähistab pildil värv
Kust valem tuleb
- Miks piisab ühest liugurist. Mõõda pikkusi diameetrites, kiirusi ühikutes U ja aega ühikutes D/U: aseta
u = U u′,x = D x′,t = (D/U) t′ningp = ρU² p′. Iga liige liikumisvõrrandi vasakul poolel sisaldab siis tegurit U²/D ja seda teeb ka rõhuliige; viskoosne liige sisaldab tegurit νU/D². Jaga läbi teguriga U²/D ja võrrand on samasugune nagu varem, kirjutatuna priimiga suurustes, välja arvatud see, et ν asemele on tulnudν/(UD) = 1/Re. Kaks sama Re-ga voolu on üks ja sama vool erinevate suuruste ja kiiruste juures, seega vajab leht ühte juhtnuppu, mitte nelja. - Kuidas leht eristab rahunemist vaibumisest. Nimetame võnkeamplituudi A. Kuni see on väike, kasvab või kahaneb see eksponentsiaalselt,
dA/dt = σA, kusjuures σ on lävest kõrgemal positiivne ja madalamal negatiivne ning läve lähedal on σ võrdeline suurusega Re − Rec. Kasv ei saa kesta lõputult ja esimene liige, mis suudab selle peatada alt üles pööratuna samasuguse võnke puhul, on kuup-liige:dA/dt = σA − ℓA³, Landau võrrand. Jagatuna A-ga moodustab see sirge A² suhtes,d ln A/dt = σ − ℓA². Leht sobitab selle sirge iga käivituse tsüklitele ja loeb sealt välja σ, mistõttu teab see Re 48 juures, et kahanev võnge hoopis rahuneb, mitte ei vaibu. Seades dA/dt = 0 saame võnke, millel voolujälg rahuneb,A∞² = σ/ℓ: sirge Re suhtes, mis jõuab nulli punktis Rec. See on sirge teisel paneelil. - Nulltakistus ilma viskoossuseta. Ilma viskoossuseta on voolamine ümber raadiusega R silindri
ψ = U(r − R²/r) sin θja pinnal on selle kiirus2U sin θ: null esi- ja tagaküljel ning kahekordne vaba voolu kiirus külgedel. Bernoulli seadus,p + ½ρv²on voolujoone ulatuses konstantne, muudab selle rõhuks kujulCp = (p − p∞)/(½ρU²) = 1 − 4 sin²θ. Takistus on pinnale lükkav rõhk, mis on kokku liidetud kogu ringi ulatuses:CD = ∫₀^π Cp cos θ dθ = ∫₀^π cos θ dθ − 4∫₀^π sin²θ cos θ dθ = 0 − [4 sin³θ/3]₀^π = 0. Esimene ja tagumine pool tühistavad teineteise täielikult. Leht integreerib lahendaja enda rõhu samal viisil ning trükib selle välja takistuse rõhuosana. - Sagedus. Skaleerituna nagu sammus 1, muutub eraldumissagedus f kujule
St = fD/Uning sarnaselt kõigele muule skaleeritud võrrandites saab see sõltuda ainult arvust Re ja mitte millestki muust. Kui St on mingi Reynoldsi arvu juures teada, siisf = St·U/Dmis tahes vedeliku, kiiruse ja diameetri jaoks, mis seda jagavad. Roshko sobitas oma tuuletunneli mõõtmistulemustega vahemikus Re 50 kuni 150 avaldiseSt = 0.212(1 − 21.2/Re); selle lahendaja St on väärtusel Re 55 sellest 4% kõrgemal, kahanedes Re 100 juures väärtuseni 1%.
- Eeldab
- Kahte mõõdet: lõpmatult pikk silinder, mille ulatuses miski ei muutu. Kokkusurumatut vedelikku, mida lahendaja lähendab, töötades umbes kuuendikul omaenese helikiirusest. Kahekümne diameetri laiust kanalit, mille ülaosa on ühendatud alaosaga, nii et silindril on naabrid kahekümne diameetri kaugusel, mis lisab takistusele ja sagedusele mõne protsendi.
- Ei kehti, kui
- Väärtusest Re 188,5 ülevalpool tekitab reaalne voolujälg silindri pikisuunas laineid (Barkley ja Henderson, 1996) ning 2D lahendus lakkab seda kirjeldamast. Läve lähedal aeglustub kõik: väärtusel Re 47 on võnge pärast 300 D/U endiselt vaibumas ja vajaks hääbumiseks veel enam kui 2000 D/U, mistõttu loeb leht ootamise asemel trendi Landau võrrandi abil.
Ülesanne täielikult lahendatud
Allikad (5)
- Wind-tunnel shedding frequencies behind circular cylinders from Re 40 to 10,000, and the two fits this page plots and the worked problem uses: S = 0.212(1 − 21.2/R) for 50 < R < 150 and S = 0.212(1 − 12.7/R) for 300 < R < 2,000: A. Roshko, "On the Development of Turbulent Wakes from Vortex Streets", NACA Report 1191, National Advisory Committee for Aeronautics, 1954.
- Where a two-dimensional solver stops describing a real wake: the periodic 2D wake becomes unstable to three-dimensional disturbances at Re = 188.5 ± 1.0, which is where this page's slider stops: D. Barkley and R. D. Henderson, "Three-dimensional Floquet stability analysis of the wake of a circular cylinder", Journal of Fluid Mechanics 322, 215–241 (1996).
- The history of the instability: Bénard's experiments, the threshold Re_c = 47 that Camichel's group in Toulouse measured with circular cylinders, and Mathis, Provansal and Boyer's 1984 measurement that the oscillation's amplitude grows as (Re − Re_c)^½, the Landau law this page fits: J. E. Wesfreid, "Henri Bénard: Thermal convection and vortex shedding", Comptes Rendus Mécanique 345, 446–466 (2017).
- The method this page solves the equations with: a lattice-Boltzmann fluid with a curved wall placed on the true circle by interpolating along each lattice link, and the drag from the momentum each link exchanges with the wall: M. Bouzidi, M. Firdaouss and P. Lallemand, "Momentum transfer of a Boltzmann-lattice fluid with boundaries", Physics of Fluids 13, 3452–3459 (2001).
- Steady flow past a cylinder computed up to Re 100, with the drag, the surface pressure and the separation bubble, which first appears just below Re 7: S. C. R. Dennis and G.-Z. Chang, "Numerical solutions for steady flow past a circular cylinder at Reynolds numbers up to 100", Journal of Fluid Mechanics 42, 471–489 (1970).