Mecânica dos fluidos/Equações de Navier-Stokes

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Equações de Navier-Stokes

Conforme visto anteriormente, a equação de conservação do momento linear em forma diferencial, para coordenadas cartesianas, pode ser escrita


(∂σxx∂x+∂τyx∂y+∂τzx∂z)u→x+(∂τxy∂x+∂σyy∂y+∂τzy∂z)u→y+(∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂σzz∂z−ρg)u→z=ρ(v→⋅∇v→+∂v→∂t)


Essa equação só pode ser resolvida depois que os valores das tensões σ e τ são relacionados às componentes da velocidade por meio de equações auxiliares. De acordo com a análise cinemática anterior, as tensões de cisalhamento estão relacionadas com a velocidade da seguinte maneira


∂vx∂y+∂vy∂x=1μτyx=1μτxy


∂vx∂z+∂vz∂x=1μτzx=1μτxz


∂vz∂y+∂vy∂z=1μτyz=1μτzy


e, de acordo com a análise estática anterior


σxx=−p−23μ(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)+2μ∂vx∂x


σyy=−p−23μ(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)+2μ∂vy∂y


σzz=−p−23μ(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)+2μ∂vz∂z


Desenvolvendo, teremos um conjunto de três equações que é conhecido como equações de Navier-Stokes.

Na direção do eixo X, teremos:

(∂∂x(−p−23μ(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)+2μ∂vx∂x)+∂∂y(μ∂vx∂y+μ∂vy∂x)+∂∂z(μ∂vx∂z+μ∂vz∂x))=


=ρ(vx∂vx∂x+vy∂vx∂y+vz∂vx∂z+∂vx∂t)


Na direção do eixo Y, teremos


(∂∂y(−p−23μ(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)+2μ∂vy∂y)+∂∂x(μ∂vx∂y+μ∂vy∂x)+∂∂z(μ∂vz∂y+μ∂vy∂z))=


=ρ(vx∂vy∂x+vy∂vy∂y+vz∂vy∂z+∂vy∂t)


E, na direção do eixo Z, teremos


(∂∂z(−p−23μ(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)+2μ∂vz∂z)+∂∂x(μ∂vx∂z+μ∂vz∂x)+∂∂y(μ∂vz∂y+μ∂vy∂z))−ρg=


=ρ(vx∂vz∂x+vy∂vz∂y+vz∂vz∂z+∂vz∂t)


Essas três equações, mais a equação de continuidade, formam um sistema de quatro equações diferenciais parciais não-lineares acopladas, cuja solução é possível apenas em casos especiais. Exemplos de casos especiais são aqueles onde o fluido é um líquido ideal e a geometria do problema é muito simples.



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