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Formula sheet-MECH3220-S22-midterm

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Formula Sheet MECH-3220-S22
Fluid Kinematics
Acceleration field
π‘Žβƒ—π‘π‘Žπ‘Ÿπ‘‘π‘–π‘π‘™π‘’ (π‘₯, 𝑦, 𝑧, 𝑑) =
𝛻=
Equation of a streamline
π‘‘π‘Ÿβƒ— 𝑑π‘₯ 𝑑𝑦 𝑑𝑧
=
=
=
βƒ—βƒ—
𝑒
𝑣
𝑀
𝑉
βƒ—βƒ— πœ•π‘‰
βƒ—βƒ—
𝑑𝑉
βƒ—βƒ—. 𝛻⃗⃗ )𝑉
βƒ—βƒ—
=
+ (𝑉
𝑑𝑑
πœ•π‘‘
πœ•( )
πœ•( )
πœ•( )
𝑖⃗ +
𝑗⃗ +
π‘˜βƒ—βƒ—
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘₯
𝐷( ) πœ•( )
βƒ—βƒ—. 𝛻⃗⃗)( )
=
+ (𝑉
𝐷𝑑
πœ•π‘‘
1 𝑑𝑉
πœ•π‘’ πœ•π‘£ πœ•π‘€
βƒ—βƒ—
= πœ€π‘₯π‘₯ + πœ€π‘¦π‘¦ + πœ€π‘§π‘§ =
+
+
= 𝛻. 𝑉
𝑉 𝑑𝑑
πœ•π‘₯ πœ•π‘¦ πœ•π‘§
1 πœ•π‘€ πœ•π‘£ → 1 πœ•π‘’ πœ•π‘€ → 1 πœ•π‘£ πœ•π‘’ →
→
πœ”= (
− )𝑖 + ( −
) 𝑗 + ( − )π‘˜
2 πœ•π‘¦ πœ•π‘§
2 πœ•π‘§ πœ•π‘₯
2 πœ•π‘₯ πœ•π‘¦
→
→
→
πœ•π‘’
πœ•π‘’
πœ•π‘’
πœ•π‘’
+𝑒
+𝑣
+𝑀
πœ•π‘‘
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
πœ•π‘£
πœ•π‘£
πœ•π‘£
πœ•π‘£
π‘Žπ‘¦ =
+𝑒
+𝑣
+𝑀
πœ•π‘‘
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
πœ•π‘€
πœ•π‘€
πœ•π‘€
πœ•π‘€
π‘Žπ‘§ =
+𝑒
+𝑣
+𝑀
πœ•π‘‘
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
π‘Žπ‘₯ =
πœ€π‘₯π‘₯ =
πœ•π‘’
,
πœ•π‘₯
→
π‘‰π‘œπ‘Ÿπ‘‘π‘–π‘π‘–π‘‘π‘¦ π‘£π‘’π‘π‘‘π‘œπ‘Ÿ 𝑖𝑛 π‘π‘¦π‘™π‘–π‘›π‘‘π‘Ÿπ‘–π‘π‘Žπ‘™ π‘π‘œπ‘œπ‘Ÿπ‘‘π‘–π‘›π‘Žπ‘‘π‘’π‘ :
→
1 πœ•π‘’π‘§ πœ•π‘’πœƒ →
πœ•π‘’π‘Ÿ πœ•π‘’π‘§ →
1 πœ•(π‘Ÿπ‘’πœƒ ) πœ•π‘’π‘Ÿ →
𝜁 =(
−
) π‘’π‘Ÿ + (
−
) π‘’πœƒ + (
−
) 𝑒𝑧
π‘Ÿ πœ•πœƒ
πœ•π‘§
πœ•π‘§
πœ•π‘Ÿ
π‘Ÿ
πœ•π‘Ÿ
πœ•πœƒ
πΆπ‘Žπ‘’π‘β„Žπ‘¦’𝑠 π‘’π‘žπ‘’π‘Žπ‘‘π‘–π‘œπ‘›:
πœ•
βƒ—βƒ—) + 𝛻⃗⃗ ⋅ (πœŒπ‘‰
⃗⃗𝑉
βƒ—βƒ—) = πœŒπ‘”βƒ— + 𝛻⃗⃗ · πœŽπ‘–π‘—
(πœŒπ‘‰
πœ•π‘‘
πœ•π‘£
,
πœ•π‘¦
πœ€π‘§π‘§ =
πœ•π‘€
πœ•π‘§
1
1
→
⃗⃗ = curl⃗⃗⃗⃗
πœ”= 𝛻×𝑉
𝑉
2
2
𝜁 = 2πœ”
βƒ—βƒ— = 𝛻 × π‘‰ = curl 𝑉
πœ•π‘’
1 πœ•π‘’ πœ•π‘£
1 πœ•π‘’ πœ•π‘€
( + )
( +
)
πœ•π‘₯
2 πœ•π‘¦ πœ•π‘₯
2 πœ•π‘§ πœ•π‘₯
1 πœ•π‘£ πœ•π‘’
πœ•π‘£
1 πœ•π‘£ πœ•π‘€
πœ€π‘–π‘— =
( + )
( +
)
2 πœ•π‘₯ πœ•π‘¦
πœ•π‘¦
2 πœ•π‘§ πœ•π‘¦
1 πœ•π‘€ πœ•π‘’
1 πœ•π‘€ πœ•π‘£
πœ•π‘€
(
+ )
(
+ )
2 πœ•π‘¦ πœ•π‘§
πœ•π‘§ )
( 2 πœ•π‘₯ πœ•π‘§
πœ€π‘¦π‘¦ =
1 πœ•π‘’ πœ•π‘£
πœ€π‘₯𝑦 = ( + )
2 πœ•π‘¦ πœ•π‘₯
1 πœ•π‘€ πœ•π‘’
πœ€π‘§π‘₯ = (
+ )
2 πœ•π‘₯ πœ•π‘§
1 πœ•π‘£ πœ•π‘€
πœ€π‘¦π‘§ = ( +
)
2 πœ•π‘§ πœ•π‘¦
Continuity:
πœ•πœŒ πœ•(πœŒπ‘’) πœ•(𝜌𝜐) πœ•(πœŒπ‘€)
+
+
+
=0
πœ•π‘‘
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
πœ•πœŒ 1 πœ•(π‘ŸπœŒπ‘’π‘Ÿ ) 1 πœ•(πœŒπ‘’πœƒ ) πœ•(πœŒπ‘’π‘§ )
+
+
+
=0
πœ•π‘‘ π‘Ÿ πœ•π‘Ÿ
π‘Ÿ πœ•πœƒ
πœ•π‘§
π΅π‘’π‘Ÿπ‘›π‘œπ‘’π‘™π‘™π‘– π‘’π‘žπ‘’π‘Žπ‘‘π‘–π‘œπ‘› π‘“π‘œπ‘Ÿ π‘–π‘Ÿπ‘Ÿπ‘œπ‘‘π‘Žπ‘‘π‘–π‘œπ‘›π‘Žπ‘™ π‘“π‘™π‘œπ‘€:
𝑃 𝑉2
+
+ 𝑔𝑦 = 𝐢 = constant everywhere
𝜌
2
Potential flow
1
Flow over Stationary
Circular Cylinder
π‘Ž2
πœ“ = 𝑉∞ π‘Ÿ (1 − π‘Ÿ 2 ) sin πœƒ;
𝐾
π‘Ž=√
𝑉∞
𝑝𝑠 = 𝑝ο‚₯ +
πœŒπ‘‰∞ 2
(1 − 4 𝑠𝑖𝑛2 πœƒ )
2
Stress Tensor in Cylindrical Coordinates
Newtonian Incompressible Flow
Navier-Stokes Equations in Cartesian Coordinates
πœ•π‘’
πœ•π‘’
πœ•π‘’
πœ•π‘’
π‘₯ − π‘π‘œπ‘šπ‘π‘œπ‘›π‘’π‘›π‘‘: 𝜌 ( + 𝑒
+𝜐
+𝑀 )
πœ•π‘‘
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
πœ•π‘ƒ
πœ•2𝑒 πœ•2𝑒 πœ•2𝑒
=−
+ πœŒπ‘”π‘₯ + πœ‡ ( 2 + 2 + 2 )
πœ•π‘₯
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
πœ•πœ
πœ•πœ
πœ•πœ
πœ•πœ
𝑦 − π‘π‘œπ‘šπ‘π‘œπ‘›π‘’π‘›π‘‘: 𝜌 ( + 𝑒
+𝜐
+𝑀 )
πœ•π‘‘
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
2
πœ•π‘ƒ
πœ• 𝜐 πœ•2𝜐 πœ•2𝜐
=−
+ πœŒπ‘”π‘¦ + πœ‡ ( 2 + 2 + 2 )
πœ•π‘¦
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
πœ•π‘€
πœ•π‘€
πœ•π‘€
πœ•π‘€
𝑧 − π‘π‘œπ‘šπ‘π‘œπ‘›π‘’π‘›π‘‘ : 𝜌 (
+𝑒
+𝜐
+𝑀
)
πœ•π‘‘
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
πœ•π‘ƒ
πœ•2𝑀 πœ•2𝑀 πœ•2𝑀
=−
+ πœŒπ‘”π‘§ + πœ‡ ( 2 + 2 + 2 )
πœ•π‘§
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦
πœ•π‘§
Navier Stokes Equations in Cylindrical Coordinates
πœ•π‘’
πœ•π‘’ πœ•πœ
πœ•π‘’ πœ•π‘€
πœ‡( + ) πœ‡( +
)
πœ•π‘₯
πœ•π‘¦ πœ•π‘₯
πœ•π‘§ πœ•π‘₯
πœ•πœ πœ•π‘’
πœ•πœ
πœ•πœ πœ•π‘€
πœπ‘–π‘— = πœ‡ ( + )
2πœ‡
πœ‡( +
)
πœ•π‘₯ πœ•π‘¦
πœ•π‘¦
πœ•π‘§ πœ•π‘¦
πœ•π‘€ πœ•π‘’
πœ•π‘€ πœ•πœ
πœ•π‘€
πœ‡(
+ ) πœ‡(
+ )
2πœ‡
(
πœ•π‘₯ πœ•π‘§
πœ•π‘¦ πœ•π‘§
πœ•π‘§ )
2πœ‡
2
Fully developed laminar flow in a pipe
Viscous flow in pipes
Non-circular Ducts
Hydraulic diameter: Dh = 4Ac/P Ac = cross-section area, P = wetted perimeter
π‘ˆπΏ πœŒπ‘ˆπΏ
=
𝑣
πœ‡
Reynolds number
𝑅𝑒 =
Energy equation:
Head Basis:
𝑝in
𝛾
+
𝛼in 𝑉in2
2𝑔
+ 𝑧in + β„Žπ‘ =
𝑝out
𝛾
+
2
𝛼out 𝑉out
2𝑔
+ 𝑧out + β„Žπ‘‘ + β„ŽπΏ
𝛼𝑖𝑛 π‘Žπ‘›π‘‘ π›Όπ‘œπ‘’π‘‘ = kinetic energy correction coefficients
3
Moody diagram
4
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