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¿Por qué no las ecuaciones de Navier-Stokes simplificado para la hidrodinámica contienen aceleración de la gravedad?

La incompresible ecuaciones de Navier-Stokes ampliamente utilizado en la hidrodinámica no tiene la aceleración de la gravedad. $$ \begin{align} \frac{\partial u_i}{\partial x_i} & = 0, \\ \frac{\partial u_i}{\partial t}+u_j\frac{\partial u_i}{\partial x_j}&=-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial x_i}+\nu\frac{\partial^2u_i}{\partial x_j \partial x_j}. \end{align} $$

Una explicación es que la magnitud física de $g$ es de un nivel mas bajo que el de otras fuerzas, por ejemplo, la presión y las fuerzas viscosas, pero cómo este término se elimina?

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dAnjou Puntos 203

Si usted va a través del proceso de la no-dimensionalizing las ecuaciones, la matemática se vuelve más claro. Si usted comienza con el impulso de la ecuación (ignorando viscoso fuerzas, porque no son importantes para el análisis): $$ \frac{\partial u_i}{\partial t} + \frac{\partial u_i u_j}{\partial x_j} = -\frac{1}{\rho} \frac{\partial p}{\partial x_i} + g $$

A continuación, introducir pertinentes escalas para no dimensionarlo cosas: $\bar{u}_i = u_i/u_0$, $\bar{x}_i = x_i/L$, $\bar{\rho} = \rho/\rho_0$, $\bar{g} = g/g_0$, $\tau = u_0/L t$ y $\bar{p} = p/p_0$, se obtiene:

$$ \frac{\partial \bar{u}_i}{\parcial \tau} + \frac{\partial \bar{u}_i \bar{u}_j}{\parcial \bar{x_j}} = -\frac{\text{Ue}}{\bar{\rho}} \frac{\partial \bar{p}}{\partial \bar{x}_i} + \frac{1}{\text{Fr}^2}\bar{g} $$

$\text{Eu} = \frac{p_0}{\rho_0 u_0^2}$ es el número de Euler e $\text{Fr} = \frac{u_0}{\sqrt{g_0 L}}$ es el número de Froude.

El número de Froude es la relación de las fuerzas convectivas a las fuerzas de gravedad. Cuando las fuerzas convectivas son mucho, mucho más grande que las fuerzas de gravedad, el número de Froude es grande y por lo $\frac{1}{\text{Fr}^2} \ll 1$, y la gravedad plazo puede ser descuidado en relación a los términos convectivos. Esta es la forma en que podemos matemáticamente justificar caer la gravedad plazo cuando las fuerzas convectivas son grandes.

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Chris Kobrzak Puntos 46

El NS ecuaciones no incluyen la gravedad término, véase la entrada de la Wikipedia donde se incluye como un cuerpo la fuerza plazo.

Bajo ciertas condiciones, puede ser descuidado: el gran número de Froude (como tpg2114 mostró) o la hidrostática (en el que la fuerza de gravedad es equilibrado por el gradiente de presión) o horizontal corrientes ($g$$z$- dirección, pero el flujo es en $x,\,y$ plano). También puede absorbido en otros términos: la gravedad de ser conservador, que puede ser absorbido por el gradiente de presión plazo para flujos incompresibles, $$-\nabla w+\mathbf g=-\nabla(w+\phi)=-\nabla w'.$$ donde $w=p/\rho$, pero esto realmente no pueden ser ignoradas " como usted ha sugerido.

Pedagógico razón podría ser que la solución que terminan siendo más complejo de lo que razonablemente se espera en una prueba o tarea.

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