Граничные и начальные условия.
При решении конкретных задач гидрогазодинамики приходится интегрировать дифференциальные уравнения движения (1). Этим уравнениям удовлетворяет бесчисленное множество искомых функций и постоянных интегрирования. Чтобы выбрать из них те, которые соответствуй конкретной задаче, необходимо знать начальные и граничные условия.
Начальные условия заключаются в том, что задается состояние движения, т.е. поле скоростей и давлений, в начальный момент времени . Начальные условия имеют значение лишь при решении задач, относящихся к неустановившемуся движению.
Граничные условия могут быть весьма разнообразными и необходимы при решении задач с установившимся и неустановившимся движением. Граничные условия делятся на кинематические и динамические.
Кинематические граничные условия сводятся к заданию скорости (по величине или направлению) или ее производных на внешней границе рассматриваемого объема жидкости.
Динамические граничные условия сводятся к заданию давлений на внешней границе рассматриваемого движущегося объема жидкости (газа). В частности, если жидкость имеет свободную поверхность раздела в атмосфере, то во всех точках свободной поверхности давление должно равняться атмосферному. Это условие служит для определения формы свободной поверхности жидкости.
Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости
В форме Навье-Стокса
Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости в общем виде значительно сложнее уравнений движения идеальной жидкости, так как влияние вязкости сказывается не только в появлении касательных напряжении, но и в изменении величины нормального давления. Для их составления выделим в прямоугольной системе координат в потоке жидкости у точки M(x, y, z) элемент жидкости в форме прямоугольного параллелепипеда так, чтобы точка М была одной из его вершин. Выражения для массы элемента, проекций его ускорения на оси координат, проекций объемных сил запишутся здесь так же, как и при выводе уравнений движения идеальной жидкости в форме Эйлера. Отличие будет только в выражениях для поверхностных сих. В случае вязкой жидкости на грани параллелепипеда будут действовать не только нормальные напряжения , но и касательные, потому что поверхностные силы в вязкой жидкости не ортогональны к рассматриваемой поверхности. В уравнения движения вязкой жидкости, помимо ускорений, учитываемых при движении идеальной жидкости, должны войти еще и ускорения от сил трения. Посмотрим сначала, как следует учитывать ускорения от сил трения при плоскопараллельном движении жидкости вдоль оси X с градиентом скорости только в направлении оси Y.
Согласно гипотезе Ньютона, при слоистом (ламинарном) течении жидкости сила трения между ее слоями равна
,
где − динамический коэффициент вязкости; − площадь поверхности трения; − градиент скорости по нормали y. Силу трения, отнесенную к единице площади поверхности трения, обозначают через и называют напряжением трения. Итак,
.
При наличии градиента скорости вдоль оси Y силы трения на верхнюю и нижнюю грани параллелепипеда действуют в противоположных направлениях. Сила трения на нижней грани элемента определяется как
на верхней грани элемента, где напряжение трения получило приращение , она равна .
Равнодействующая сила трения, действующая на жидкий элемент в направлении оси X, будет определяться разностью сил, действующих на нижней и верхней гранях элемента
.
Так как согласно гипотезе Ньютона, и , то
.
Соответствующее ускорение, т.е. силу трения, приходящуюся на единицу массы элемента , можно выразить как
.
В трехмерном потоке, когда градиенты скорости могут существовать в направлении всех трех координатных осей, ускорение от сил трения в проекциях на оси X, Y, Z, выражаются следующим образом:
, ,
.
Эти проекции ускорений от сил трения следует ввести в дифференциальное уравнения движения вязкой жидкости помимо ускорений, действующих на частицу идеальной жидкости. Тогда дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости запишутся в виде:
,
, (*)
.
Уравнения движения, записанные в такой форме (*), называются уравнениями Навье-Стокса для вязкой несжимаемой жидкости. Если при изучении движения вязкой жидкости одновременно учитывать и сжимаемость, то уравнения движения будут более сложными.
При движении вязкой (реальной) жидкости за гидростатическое давление в точке принимают среднее арифметическое значение давлений по трем произвольным, проходящим через данную точку, взаимно перпендикулярным площадкам, т.е.
.
Все слагаемые в уравнениях Навье-Стокса, так же как и в уравнениях Эйлера, имеет размерность ускорения м/сек2. В левые части уравнений входят проекция полного ускорения частицы, в правые части − проекции ускорения от объемных сил, от сил давления и от сил вязкости (трения). Неизвестными величинами являются скорости , давление Р, и в общем случав сжимаемой жидкости плотность . Зависимость от температуры считается известной. Для того чтобы получилась замкнутая система уравнений, в которой число уравнений равнялось числу неизвестных, необходимо к уравнениям Навье-Стокса присоединить уравнение неразрывности движения
,
а в случае сжимаемой жидкости, еще и характеристическое уравнение .