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MMC -
Ing. Mécatronique
ANNEXE -2-
Formulaire
Equations de Navier-Stokes
En coordonnées Cartésiennes, Cylindriques et Sphériques
Principales Notations :
r
v : vecteur (composantes u , v, w)
τ : tenseur symétrique du sec ond ordre
s : fonction scalaire
Tourki .Z
2010
MMC -
Ing. Mécatronique
COORDONNEES CARTESIENNES : (x,y,z)
z
M(x,y,z,t)
y
x
•
r ∂u ∂v ∂w
div v =
+ +
∂x ∂y ∂z
•
 ∂w ∂v
 ∂y − ∂z

uuur r  ∂u ∂w
Rotv =  −
 ∂z ∂x
 ∂v ∂u
 ∂x − ∂y

 ∂u
 ∂x

r  ∂v
grad (v ) = 
 ∂x
 ∂w

 ∂x
•
 ∂ 2u ∂ 2 u ∂ 2 u
 2 + 2 + 2 = ∆u
∂y
∂z
 ∂x
r  ∂ 2 v ∂ 2v ∂ 2v
∆v =  2 + 2 + 2 = ∆v
∂y
∂z
 ∂x
 ∂2w ∂2w ∂2w
 2 + 2 + 2 = ∆w
∂y
∂z
 ∂x
 ∂u
∂u
∂u
u ∂x + v ∂y + w ∂z

r r  ∂v
∂v
∂v
grad v .v = u + v + w
∂y
∂z
 ∂x
 ∂w
∂w
∂w
+v
+w
u
∂y
∂z
 ∂x
•
 ∂s
 ∂x

uuuuur
 ∂s
grad s = 
 ∂y
 ∂s

 ∂z
∂2s ∂2s ∂2s
∆s = 2 + 2 + 2
∂x
∂y
∂z
Tourki .Z
∂u
∂y
∂v
∂y
∂w
∂y
∂u 
∂z 
∂v 

∂z 
∂w 

∂z 
2010
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Ing. Mécatronique
•
 ∂τ xx ∂τ xy ∂τ xz
+
+

∂y
∂z
 ∂x
 ∂τ xy ∂τ yy ∂τ yz
div τ = 
+
+
∂y
∂z
 ∂x
 ∂τ
∂τ yz ∂τ zz
 xz +
+
∂y
∂z
 ∂x
•
tenseur des vitesses de déformation : D =

∂u

∂x

 1  ∂u ∂v 
D=  + 
 2  ∂y ∂x 

 1  ∂w + ∂u 
 2  ∂x ∂z 
•
(
1
r
t r
grad v + grad v
2
1  ∂u ∂v 
+
2  ∂y ∂x 
∂v
∂x
1  ∂v ∂w 
+
2  ∂z ∂y 
)
1  ∂w ∂u  
+

2  ∂x ∂z  
1  ∂v ∂w  

+
2  ∂z ∂y  

∂w


∂x
Equations de Navier-Stockes (en incompressible)
r ∂u ∂v ∂w
div v =
+ +
=0
∂x ∂y ∂z
Continuité :
 ∂u
 ∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u 
∂u
∂u
∂u
1 ∂p
+v +w
= gx −
+ν  2 + 2 + 2 
 +u
∂x
∂y
∂z
ρ ∂x
∂y
∂z 
 ∂t
 ∂x

 ∂ 2v ∂ 2 v ∂ 2 v 
∂v
∂v
∂v
1 ∂p
 ∂v
+ν  2 + 2 + 2 
 + u + v + w = gy −
∂x
∂y
∂z
ρ ∂y
∂y
∂z 
 ∂x
 ∂t

2
2
2
 ∂w + u ∂w + v ∂w + w ∂w = g − 1 ∂p + ν  ∂ w + ∂ w + ∂ w 
z
2
 ∂t
∂x
∂y
∂z
ρ ∂z
∂y 2 ∂z 2 
 ∂x

Energie :
 ∂T
∂T
∂T
∂T
Cv 
+u
+v
+w
∂x
∂y
∂z
 ∂t
 k
 − ∆T =
 ρ
 ∂u ∂v 2  ∂u ∂w  2  ∂w ∂v 2 
 ∂u 2  ∂v  2  ∂w  2 
ν  +  +  +  + 
+   + 2ν   +   + 
 +C
 ∂y ∂x   ∂z ∂x   ∂y ∂z  
 ∂x   ∂x   ∂x  
Tourki .Z
2010
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Ing. Mécatronique
COORDONNEES CYLINDRIQUES : (r,θ,z)
z
r
M(r,θ,z,t)
z
y
r
v (vr , vθ , vz )
x
θ
•
1 ∂v
∂v
r 1 ∂
div v =
( rvr ) + θ + z
r ∂r
r ∂θ
∂z
•
 1 ∂vz ∂vθ
 r ∂θ − ∂z
uuur r  ∂v ∂v
Rotv =  r − z
 ∂z ∂r
1 ∂vr
1 ∂
 r ∂r ( rvθ ) − r ∂θ

•
2
2
 ∂ 1 ∂
r
 1 ∂ vr 2 ∂vθ ∂ vr
rv
+
−
+
= ∆r v
( r ) 2 2 2
 
2
r ∂θ ∂z
 r ∂θ
 ∂r  r ∂r
2
2
r  ∂  1 ∂
r
 1 ∂ vθ 2 ∂vr ∂ vθ
∆v =  
( rvθ ) + 2 2 + 2 + 2 = ∆θ v
r ∂θ ∂z
 r ∂θ
 ∂r  r ∂r
 1 ∂  ∂v  1 ∂ 2 v ∂ 2v
r
z

+ 2z = ∆ z v
r z + 2

2
∂z
 r ∂r  ∂r  r ∂θ
•

vr

rr 
grad v .v = vr


vr

Tourki .Z
 ∂vr
 ∂r

r  ∂vθ
grad (v ) =
 ∂r

 ∂vz
 ∂r
1 ∂vr vθ
−
r ∂θ
r
1 ∂vθ vr
+
r ∂θ
r
1 ∂vz
r ∂θ
∂vr 
∂z 

∂vθ 
∂z 

∂vz 
∂z 
∂vr vθ ∂vr vθ2
∂v
+
− + vz r
∂r
r ∂θ
r
∂z
∂vθ vθ ∂vθ vθ vr
∂v
+
+
+ vz θ
∂r
r ∂θ
r
∂z
∂vz vθ ∂vz
∂v
+
+ vz r
∂r
r ∂θ
∂z
2010
MMC -
•
•
Ing. Mécatronique
 ∂s
 ∂r

uuuuur
 1 ∂s
grad s = 
 r ∂θ
 ∂s
 ∂z

uuur
div τ
r r r
e ,e ,e
r
•
θ
z
1 ∂  ∂s  1 ∂ 2 s ∂ 2 s
r
+
+
r ∂r  ∂r  r 2 ∂θ 2 ∂z 2
1 ∂τ rθ τ θθ ∂τ rz
1 ∂
 r ∂r ( rτ rr ) + r ∂θ − r + ∂z

∂τ
 1 ∂τθθ ∂τ rθ 2
=
+
+ τ rθ + θ z
∂r
∂z
r
 r ∂θ
1 ∂τ θ z ∂τ zz
1 ∂
 r ∂r ( rτ rz ) + r ∂θ + ∂z

tenseur des vitesses de déformation : D =

∂vr

∂r

 1  ∂  v  1 ∂v 
r
D =  r  θ  +

 2  ∂r  r  r ∂θ 

1  ∂vz ∂vr 

+

2  ∂r
∂z 
•
∆s =
1  ∂  vθ
r 
2  ∂r  r
 1 ∂vr 
+

 r ∂θ 
1 ∂vθ vr
+
r ∂θ
r
1  ∂vθ 1 ∂vz 
+
2  ∂z r ∂θ 
(
1
r
t r
grad v + grad v
2
)
1  ∂vz ∂vr  
+

2  ∂r
∂z  
1  ∂vθ 1 ∂vz  

+
2  ∂z r ∂θ  

∂vz


∂z
Equations de Navier-Stockes (en incompressible)
Continuité :
 ∂vr
∂v v
+ vr r + θ

∂r
r
 ∂t
∂v
v
 ∂vθ
+ vr θ + θ

∂r
r
 ∂t
 ∂vz
∂v v
+ vr z + θ

∂r
r
 ∂t
1 ∂v
∂v
r 1 ∂
div v =
( rvr ) + θ + z = 0
r ∂r
r ∂θ
∂z
1 ∂p
∂vr vθ2
∂v
r
− + vz r = g r −
+ ν∆ r v (*)
ρ ∂r
∂θ
r
∂z
∂vθ vθ vr
∂v
1 ∂p
r
+
+ vz θ = gθ −
+ ν∆θ v
∂θ
r
∂z
ρ r ∂θ
∂vz
∂v
1 ∂p
r
+ vz r = g z −
+ ν∆ z v
ρ ∂z
∂θ
∂z
Energie :
∂T vθ ∂T
∂T  k
 ∂T
2
2
2
2
2
2
Cv 
+ vr
+
+ vz
 − ∆T = 4ν  dθ r + dθ z + d zr  + 2ν  d rr + dθθ + d zz  + C
∂r r ∂θ
∂z  ρ
 ∂t
(*)
r
r r
∆ r v , ∆θ v , ∆ z v sont définis page précédente et dij sont les composantes de D
Tourki .Z
2010
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Ing. Mécatronique
COORDONNEES SPHERIQUES : (r,θ
θ,ϕ)
z
M(r,θ,z,t)
ϕ
r
y
x
r
v (vr , vθ , vϕ )
θ
sθ : sin θ
•
1 ∂
1 ∂vϕ
r 1 ∂ 2
div v = 2
r vr +
( vθ sθ ) +
r s θ ∂θ
r s θ ∂ϕ
r ∂r
(
)
1 ∂vθ
 1 ∂
 rsθ ∂θ vϕ sθ − rsθ ∂ϕ

uuur r  1 ∂v 1 ∂
r
Rotv = 
−
rvϕ
 rsθ ∂ϕ r ∂r
1 ∂
1 ∂v
( rvθ ) − r

r ∂θ
 r ∂r
(
)
( )
 ∂vr

 ∂r
r  ∂v
grad (v ) =  θ
 ∂r
 ∂v
 ϕ
 ∂r
1 ∂vr vθ
−
r ∂θ
r
1 ∂vθ vr
+
r ∂θ
r
1 ∂vϕ
r ∂θ
•
 (*) 2vr 2 ∂vθ 2vθ ctgθ
2 ∂vϕ
r
−
− 2
= ∆rv
∆vr − 2 − 2
2
r
r ∂θ
r
r sθ ∂ϕ

v
r 
2 ∂v
2 cθ ∂vϕ
r
∆v =  ∆vθ + 2 r − 2 θ2 − 2 2
= ∆θ v
r ∂θ r s θ r s θ ∂ϕ


vϕ
2 ∂vr
2cθ ∂vθ
r
∆vϕ − 2 2 + 2
+ 2 2
= ∆ϕ v
r s θ r sθ ∂ϕ r s θ ∂ϕ

•

vr


rr 
grad v .v = vr


vr

Tourki .Z

1 ∂vr vϕ
−

rsθ ∂ϕ r


v
ctg
θ
1 ∂vθ
ϕ
−

rsθ ∂ϕ
r

v
∂
1
v v ctgθ 
ϕ

+ r+ θ
rsθ ∂ϕ r
r 
2
2
∂vr vθ ∂vr vϕ ∂vr vθ + vϕ
+
+
−
∂r
r ∂θ rsθ ∂ϕ
r
2
∂vθ vθ ∂vθ vϕ ∂vθ vr vθ vϕ ctgθ
+
+
+
−
∂r
r ∂θ rsθ ∂ϕ
r
r
∂vϕ vθ ∂vϕ vϕ ∂vϕ vr vϕ vθ vϕ ctgθ
+
+
+
+
∂r
r ∂θ rsθ ∂ϕ
r
r
2010
MMC -
•
•
Ing. Mécatronique
 ∂s
 ∂r

uuuuur
 1 ∂s
grad s = 
 r ∂θ
 1 ∂s
 rsθ ∂ϕ

uuur
div τ
r r r
e ,e ,e
r
•
θ
ϕ
1
 2
r
 1
= 2
r
1
 2
 r
(*)
∆s, où s est une fonction scalaire, est définie par :
∆s =
1 ∂  2 ∂s 
1 ∂  ∂s
r
+ 2
 sθ
2
r ∂r  ∂r  r sθ ∂θ  ∂θ
1 ∂2s

+
 2 2
2
 r s θ ∂ϕ
∂ 2
1 ∂
1 ∂τ rϕ τ θθ + τ ϕϕ
r τ rr +
−
(τ rθ sθ ) +
∂r
rsθ ∂θ
rsθ ∂ϕ
r
∂ 2
1 ∂
1 ∂τθϕ τ rθ ctgθ
r τ rθ +
+
−
τ ϕϕ
(τθθ sθ ) +
∂r
rsθ ∂θ
rsθ ∂ϕ
r
r
∂ 2
1 ∂τθϕ
1 ∂τ ϕϕ τ rϕ 2ctgθ
+
+
+
r τ rϕ +
τθϕ
∂r
r ∂θ
rsθ ∂ϕ
r
r
(
)
(
)
(
)
tenseur des vitesses de déformation : D =

∂vr

∂r


1  ∂  v  1 ∂vr 
D =   r  θ  +
2  ∂r  r  r ∂θ 

 1  1 ∂v
∂  vϕ  
r
 
+ r  
∂r  r  
 2  rsθ ∂ϕ
1  ∂  vθ
r
2  ∂r  r
(
1
r
t r
grad v + grad v
2
 1 ∂vr 
+

 r ∂θ 
1 ∂vθ vr
+
r ∂θ
r
1  sθ ∂  vϕ  1 ∂vθ 


 +
2  r ∂θ  sθ  rsθ ∂ϕ 
)
 
 
  

∂  vϕ  1 ∂vθ  

 +
∂θ  sθ  rsθ ∂ϕ  

∂vϕ vr vθ ctgθ 

+ +
∂ϕ r
r

1  1 ∂vr
∂  vϕ
+r 

2  rsθ ∂ϕ
∂r  r
1  sθ

2  r
1
rsθ
•
Equations de Navier-Stockes (en incompressible)
1 ∂
1 ∂vϕ
r 1 ∂ 2
Continuité :
div v = 2
r vr +
=0
( vθ sθ ) +
rsθ ∂θ
rsθ ∂ϕ
r ∂r
(
)
2
2
 ∂v
∂vr vθ ∂vr vϕ ∂vr vθ + vϕ
1 ∂p
r
r
+ vr
+
+
−
= gr −
+ ν∆ r v (*)

2
∂r
r ∂θ rsθ ∂ϕ
ρ ∂r
r
 ∂t

2
∂vθ vθ ∂vθ vϕ ∂vθ vr vθ vϕ ctgθ
1 ∂p
r
 ∂vθ
+ vr
+
+
+
−
= gθ −
+ ν∆θ v

∂r
r ∂θ rsθ ∂ϕ
r
r
ρ r ∂θ
 ∂t
 ∂vϕ
∂vϕ vθ ∂vϕ vϕ ∂vϕ vr vϕ vθ vϕ ctgθ
1 ∂p
r

+ vr
+
+
+
+
= gϕ −
+ ν∆ϕ v
∂r
r ∂θ rsθ ∂ϕ
r
r
ρ rsθ ∂ϕ
 ∂t
Energie :
 ∂T
∂T vθ ∂T vϕ ∂T  k
2
2
2
2
2
2
Cv 
+ vr
+
+
 − ∆T = 4ν  dθ r + dθϕ + d rϕ  + 2ν  d rr + dθθ + dϕϕ  + C
∂
t
∂
r
r
∂
rs
∂
θ
θ
ϕ
ρ


(*)
r
r
r
∆ r v , ∆θ v , ∆ϕ v sont définis page précédente dij sont les composantes de D .
Tourki .Z
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