Formula Sheet MECH-3220-S22 Fluid Kinematics Acceleration field πβππππ‘ππππ (π₯, π¦, π§, π‘) = π»= Equation of a streamline ππβ ππ₯ ππ¦ ππ§ = = = ββ π’ π£ π€ π ββ ππ ββ ππ ββ. π»ββ )π ββ = + (π ππ‘ ππ‘ π( ) π( ) π( ) πβ + πβ + πββ ππ₯ ππ¦ ππ₯ π·( ) π( ) ββ. π»ββ)( ) = + (π π·π‘ ππ‘ 1 ππ ππ’ ππ£ ππ€ ββ = ππ₯π₯ + ππ¦π¦ + ππ§π§ = + + = π». π π ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ 1 ππ€ ππ£ → 1 ππ’ ππ€ → 1 ππ£ ππ’ → → π= ( − )π + ( − ) π + ( − )π 2 ππ¦ ππ§ 2 ππ§ ππ₯ 2 ππ₯ ππ¦ → → → ππ’ ππ’ ππ’ ππ’ +π’ +π£ +π€ ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ£ ππ£ ππ£ ππ£ ππ¦ = +π’ +π£ +π€ ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ€ ππ€ ππ€ ππ€ ππ§ = +π’ +π£ +π€ ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ₯ = ππ₯π₯ = ππ’ , ππ₯ → ππππ‘ππππ‘π¦ π£πππ‘ππ ππ ππ¦πππππππππ πππππππππ‘ππ : → 1 ππ’π§ ππ’π → ππ’π ππ’π§ → 1 π(ππ’π ) ππ’π → π =( − ) ππ + ( − ) ππ + ( − ) ππ§ π ππ ππ§ ππ§ ππ π ππ ππ πΆππ’πβπ¦’π πππ’ππ‘πππ: π ββ) + π»ββ ⋅ (ππ ββπ ββ) = ππβ + π»ββ · πππ (ππ ππ‘ ππ£ , ππ¦ ππ§π§ = ππ€ ππ§ 1 1 → ββ = curlββββ π= π»×π π 2 2 π = 2π ββ = π» × π = curl π ππ’ 1 ππ’ ππ£ 1 ππ’ ππ€ ( + ) ( + ) ππ₯ 2 ππ¦ ππ₯ 2 ππ§ ππ₯ 1 ππ£ ππ’ ππ£ 1 ππ£ ππ€ πππ = ( + ) ( + ) 2 ππ₯ ππ¦ ππ¦ 2 ππ§ ππ¦ 1 ππ€ ππ’ 1 ππ€ ππ£ ππ€ ( + ) ( + ) 2 ππ¦ ππ§ ππ§ ) ( 2 ππ₯ ππ§ ππ¦π¦ = 1 ππ’ ππ£ ππ₯π¦ = ( + ) 2 ππ¦ ππ₯ 1 ππ€ ππ’ ππ§π₯ = ( + ) 2 ππ₯ ππ§ 1 ππ£ ππ€ ππ¦π§ = ( + ) 2 ππ§ ππ¦ Continuity: ππ π(ππ’) π(ππ) π(ππ€) + + + =0 ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ 1 π(πππ’π ) 1 π(ππ’π ) π(ππ’π§ ) + + + =0 ππ‘ π ππ π ππ ππ§ π΅πππππ’πππ πππ’ππ‘πππ πππ πππππ‘ππ‘πππππ ππππ€: π π2 + + ππ¦ = πΆ = constant everywhere π 2 Potential flow 1 Flow over Stationary Circular Cylinder π2 π = π∞ π (1 − π 2 ) sin π; πΎ π=√ π∞ ππ = πο₯ + ππ∞ 2 (1 − 4 π ππ2 π ) 2 Stress Tensor in Cylindrical Coordinates Newtonian Incompressible Flow Navier-Stokes Equations in Cartesian Coordinates ππ’ ππ’ ππ’ ππ’ π₯ − πππππππππ‘: π ( + π’ +π +π€ ) ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ π2π’ π2π’ π2π’ =− + πππ₯ + π ( 2 + 2 + 2 ) ππ₯ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ ππ ππ ππ π¦ − πππππππππ‘: π ( + π’ +π +π€ ) ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ 2 ππ π π π2π π2π =− + πππ¦ + π ( 2 + 2 + 2 ) ππ¦ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ€ ππ€ ππ€ ππ€ π§ − πππππππππ‘ : π ( +π’ +π +π€ ) ππ‘ ππ₯ ππ¦ ππ§ ππ π2π€ π2π€ π2π€ =− + πππ§ + π ( 2 + 2 + 2 ) ππ§ ππ₯ ππ¦ ππ§ Navier Stokes Equations in Cylindrical Coordinates ππ’ ππ’ ππ ππ’ ππ€ π( + ) π( + ) ππ₯ ππ¦ ππ₯ ππ§ ππ₯ ππ ππ’ ππ ππ ππ€ πππ = π ( + ) 2π π( + ) ππ₯ ππ¦ ππ¦ ππ§ ππ¦ ππ€ ππ’ ππ€ ππ ππ€ π( + ) π( + ) 2π ( ππ₯ ππ§ ππ¦ ππ§ ππ§ ) 2π 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 ππΏ πππΏ = π£ π Reynolds number π π = Energy equation: Head Basis: πin πΎ + πΌin πin2 2π + π§in + βπ = πout πΎ + 2 πΌout πout 2π + π§out + βπ‘ + βπΏ πΌππ πππ πΌππ’π‘ = kinetic energy correction coefficients 3 Moody diagram 4