• Nie Znaleziono Wyników

Equations of motion for compressible viscous fluid

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Equations of motion for compressible viscous fluid"

Copied!
53
0
0

Pełen tekst

(1)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Aerodynamics I

Viscous effects in compressible flows.

flow past RAE-2822 airfoil (M = 0.85, Re = 6.5 × 106 , α = 2◦ )

2 czerwca 2014

(2)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Viscous effects in compressible flows

(3)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Equations of motion for compressible viscous fluid

Integral equations for a control volume Ω bounded by a boundary Γ (without body forces e.g., gravity):

Continuity equation

∂t Z

ρ dΩ + I

Γ

ρ v · n dΓ = 0 (1.1)

Momentum equation

∂t Z

ρ v dΩ + I

Γ

ρ v (v · n) dΓ = − I

Γ

p n dΓ + I

Γ

T · n dΓ (1.2) Total energy equation E = e +

v22

∂t Z

ρ E dΩ + I

Γ

ρ E v · n dΓ = I

Γ

κ ∇T · n dΓ

| {z }

thermal conductivity

I

Γ

p v · n dΓ

| {z }

pressure forces work

+ I

Γ

(T · v) · n dΓ

| {z }

friction forces work

+ Z

ρ ˙ q dΩ

| {z }

heat sources

(1.3)

(4)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Equations of motion for compressible viscous fluid

Viscous stress tensor for Newtonian fluid:

T = µ (∇v + (∇v)

|

) + 1 λ ∇ · v (1.4) µ – dynamic viscosity coefficient

λ – volume viscosity coefficient; according to Stokes relation λ = −2/3 µ

Sutherland law:

µ µ

 T T



32

T

+ S

T + S where: S = 110.4

K (1.5)

thermal conductivity coefficient:

κ = µ c

p

P r (1.6)

P r – Prandtl number

(5)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Equations of compressible boundary layer

Continuity equation

∂(ρu)

∂x + ∂(ρv)

∂y = 0 (1.7)

Momentum equation ρ

 u ∂u

∂x + v ∂u

∂y



= − ∂p

∂x +

∂y

 µ ∂u

∂y



(1.8)

∂p

∂y = 0 p = p

e

(x) (1.9)

Total energy equation H = h +

U22

ρ

 u ∂H

∂x + v ∂H

∂y



=

∂y

 µ u ∂u

∂y

 +

∂y

 κ ∂T

∂y



(1.10)

(6)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Equations of compressible boundary layer - energy equation

Right hand side of (1.10) can be trasnformed:

∂y

 µ u ∂u

∂y

 +

∂y

 κ ∂T

∂y



=

∂y

 µ c

p

P r

∂T

∂y + µ u ∂u

∂y



=

∂y

 µ P r

∂h

∂y + µ

∂y

 u

2

2



=

∂y

 µ P r

∂H

∂y + µ  1 − 1

P r



∂y

 u

2

2



(1.11)

Then energy equation can be written as follows:

ρ

 u ∂H

∂x + v ∂H

∂y



=

∂y

 µ P r

∂H

∂y + µ  1 − 1

P r



∂y

 u

2

2



(1.12)

If Prandtl number P r = 1:

ρ

 u ∂H

∂x + v ∂H

∂y



=

∂y

 µ ∂H

∂y



(1.13)

(7)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Thermal boundary layer

P r < 1 then δ

T

> δ

P r > 1 then δ

T

< δ

(8)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Compressible boundary layer - Busemann integral

Simplest possible solution to the energy equation is:

H = const (1.14)

T

w

= T

0

= T + u

2

2 c

p

(1.15)

T = T

0

u

2

2 c

p

 ∂T

∂y



w

= 0 (1.16)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

y

u,T

(9)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Compressible boundary layer - Crocco integral

It can be noted that if ∂p/∂x = 0 then equations (1.8) and (1.13) are similar. If in addition the boundary conditions are also similar (T

w

= const) then solutions to those equations are linearly dependent:

T

0

≡ T + u

2

2 c

p

= A u + B T = A u + B − u

2

2 c

p

(1.17) Coefficients A and B must be chosen such that the boundary conditions are satisfied.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

y

u,T

(10)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Compressible laminar boundary layer - similar solutions

The equations of the laminar compressible boundary layer can be transformed (like in case of incompressible equations) such that similar solution are obtained i.e. the flow parameters depend only on undimensional coordinate η.

The undimensional coordinates are defined:

ξ = ρ

e

µ

e

u

e

x η = u

e

2 ξ Z

y

0

ρ dy (1.18)

where index e denotes the parameters on the outer boundary of the domain.

Let us introduce functions:

f

0

= u u

e

g = H H

e

(1.19) and coefficient:

C = ρµ ρ

e

µ

e

(1.20)

(11)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Compressible laminar boundary layer - similar solutions

Assuming the zero pressure gradient ∂p

e

/∂ξ = 0 Prandtl equations can be transformed to following form (the transformation is also possible for non-zero pressure gradient):

(C f

00

)

0

+ f f

00

= 0 h C

P r g

0

i

0

+ f g

0

+ u

2e

H

e

h

1 − 1 P r



C f

0

f

00

i

0

= 0

(1.21)

with boundary conditions:

dla y = 0 f (0) = f

0

(0) = 0

g(0) = g

w

← isothermal wall g

0

(0) = 0 ← adiabatic wall dla y → ∞ f

0

(∞) = 1

g(∞) = 1

(1.22)

(1.23)

(12)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Compressible laminar boundary layer

a) b)

Example profiles of velocity and temperature for flat plate (∂p/∂x = 0, P r = 0.75)

a) insulated wall b) ”cold” wall

(13)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Compressible laminar boundary layer

Flat plate for ∂p/∂x = 0

C

f

= 1.328

Re F



M

e

, P r, T

w

T

e



(1.24)

δ = 5 x

Re

x

G 

M

e

, P r, T

w

T

e



(1.25)

Example plots of C

f

and δ for P r = 0.75

(14)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Temperature profile in boundary layer

(15)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Boundary layer in supersonic flow

(16)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Shock wave boundary layer interaction

(17)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Shock wave boundary layer interaction

(18)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Viscous and compressible flow

past an airfoil

(19)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Viscous and compressible flow past an airfoil

(20)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Viscous and compressible flow past an airfoil

(21)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Viscous and compressible flow past an airfoil - lift coefficient

(22)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Viscous and compressible flow past an airfoil - lift coefficient

(23)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Viscous and compressible flow past an airfoil - drag coefficient

Relation of the wave drag coefficient to the Mach number

Relation of the drag coefficient to the

Mach number (airfoil NACA-2306)

(24)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(25)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(26)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(27)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(28)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(29)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(30)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(31)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(32)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(33)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(34)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(35)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(36)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(37)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(38)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(39)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(40)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(41)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(42)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(43)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(44)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(45)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(46)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(47)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(48)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(49)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Transonic viscous flow past an airfoil

(50)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Supercritical airfoils

(51)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Supercritical airfoils

Example of the C

p

distribution for supercritical airfoil

(52)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Flap efficiency in transonic flow

(53)

POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Flap efficiency in transonic flow

Cytaty

Powiązane dokumenty

In the case of a direct solver, the ordering of the unknowns suggested in (29), that is, first all velocity unknowns and then all pressure unknowns appears to be very inefficient,

Ich wspólnym z oj- cem dziełem są materiały do słownika geograficzno-historycznego dawnych ziem łęczyckiej i sieradzkiej do 1400 r., którego dwie czę- ści ukazały się

Section 3 describes a discretization of the Navier-Stokes equations with the aid of DGFE method and a linearization of the inviscid and the viscous fluxes, which yields to a

We are interested in iterative methods for solving the large sparse nonlinear systems of equations that result from the discretization of stationary compressible Euler

Hence, the upwind preconditioner code is about four times slower per iteration than the implicit residual smoothing code even though we use three symmetric Gauss-Seidel sweeps to

В том же самом разделе обращает на себя внимание сравнение тектоники и атектоники в дра- матических произведениях Гоголя

Wyrażali przy tym troskę o stan wiedzy i świadom ości społecznej w dziedzinie historycznoliterackiej, sugerując przesunięcie ciężaru zainteresowania Towarzystwa

A nny rozpoczęli od sklepienia prezbiterium (fot. Ta partia kościoła została ukończona wczesną jesienią 1974 r.. Szandom irski) 30. M ajcherow icz, Urząd Konserwatora