calculate the momentum deficit correction factor.

profileRamonDavid
Lecture2_MomentumConsC.pdf

MOMENTUM CONSERVATION 

(REVISITED)  eeiiCVCV vmvmFdt )vm(d 



( )e e i i e e i i d

F vdV m v m v v dxdydz m v m v dt t

  

      

              

We apply a similar approach as in mass  conservation using the same  infinitesimally small control volume  with the x‐faces for example and with  similar y‐face and z‐face expressions:

( )i i x e e x xm v v vdydz m v v v v v dx dydzx   

      

    

( ) ( ) ( ) ( ) ( )x y z x y z v v v v

v v v v v v v v v v v v t x y z t t x y z

      

                                

         

0   (continuity)

Substitution x y z v v v v

F v v v dxdydz t x y z

     

         

    If we define the Total derivative operator

x y z D

v v v Dt t x y z

           

Dv F dxdydz

Dt 

 :

:

:

x x

y y

z z

Dv x dir F dxdydz

Dt Dv

y dir F dxdydz Dt

Dv z dir F dxdydz

Dt

 

 

 

Unlike Mass Conservation  (continuity equation)  Momentum Conservation is  a VECTOR equation!!

Recall that we have two types of forces; Surface Forces and Body Forces. Neglecting electromagnetic body  forces we only need to account for gravitational forces for our control volume:

Body Forces: Gravity gravF mg gdxdydz     gravF

 CG

y

z

x

pxF pdydz

( )pxF p dp dydz  

Surface Forces Net Pressure Force in the x‐direction: ( )Netpx

p p F pdydz p dp dydz pdydz p dx dydz dxdydz

x x   

           Similarly, the net viscous force in the x‐direction:

yxNet xx zx xVISF dxdydzx y z

          

If we repeat the process for the other faces and  substitute the sum of all forces to the  expression we previously developed for our CV  we arrive at the differential form of  conservation of momentum which is applicable  to any fluid: (No assumptions except for the  absence of EM forces.) 

DIFFERENTIAL FORM OF CONSERVATION OF MOMENTUM (CARTESIAN COORDINATES)

yxx x x x xx zx x y z x

y y y y xy yy zy x y z y

yzxzz z z z zz x y z z

v v v v p v v v g

t x y z x x y z

v v v v p v v v g

t x y z y x y z

v v v v p v v v g

t x y z z x y z

   

    

   

                       

                 

               

                

COMPACT FORM Dv

g Dt

        

xx yx zx

ij xy yy zy

xz yz zz

p p

p

       

  

   



Where the stress tensor is

Most common fluids (e.g. water, oil, air) behave as Newtonian fluids which are  fluids that exhibit a linear relation between applied shear and strain rate. The  constant of proportionality is the viscosity coefficient,  a thermodynamic  property or more specifically a transport property. For incompressible flow

2 xxx

yx xy yx

v x

vv y x

 

  

 

  

      

THE NAVIER‐STOKES EQUATIONS OF CONSERVATION OF MOMENTUM FOR  LAMINAR INCOMPRESSIBLE FLOW*

Substitution of these expressions and similar ones for the other components of the viscous tensor and  assuming uniform viscosity leads to the very‐well known and widely used Nonlinear Partial Differential  NAVIER‐STOKES equations for incompressible flow:

2 2 2

2 2 2

2 2 2

2 2 2

2 2 2

2 2 2

x x x x x

y y y y y

z z z z z

Dv v v vp g

Dt x x y z

Dv v v vp g

Dt y x y z

Dv v v vp g

Dt z x y z

  

  

  

         

        

              

          

2Dv g p v Dt

         COMPACT FORM

The set is quite formidable and only a limited number of  analytic solutions exist. However, numerical solutions are  quite accessible through Computational Fluid Dynamics (CFD)  computer codes, e.g. ANSYS‐FLUENT, EES, etc.. They are  commercially available and some are available within  academia for student use. (*& uniform/constant .)

Example: The steady‐state laminar incompressible flow between two long horizontal parallel fixed plates of separation d that are very wide (width>>d) is parabolic and of the form (Example 3.6)

2

max 2

4 ( ) 1 ,

2 2x y d d

v y v y d

       

 

Is this true? If so, what is vmax if the flow  is created by a pressure difference? 

CARTESIAN COORDINATES DIFFERENTIAL VOLUME AND OPERATORS

Density 8.89 (kg/dm3) Melting point (Liquidus) 1083oC Melting point (Solidus, Eutectic) 1065oC Coefficient of thermal expansion 17.7‐10‐ 6m/(m.K) Thermal conductivity 388‐W/(m.K) Thermal capacity 385‐J/(kg.K) Electrical resistivity 1.724‐Ohm.mm2/m Electrical conductivity 0.58‐0.59 Ohm.mm2/m Modulus of Elasticity (tension) 115GPa Modulus of Elasticity (shear) 44GPa Poisons ratio 0.33

ĵ k̂

Unit vectors

ˆˆdA n dA dxdy k  Differential surface area vector

ˆdA dydz i 

Arbitrary vector notation:

ˆˆ ˆ x y zV V i V j V k  

z

x

y

Differential Volume: dV dxdydz

Gradient (del) operator:

ˆˆ ˆi j k x y z   

      

Laplacian operator: 2 2 2

2 2 2 2x y z

      

  

̂

r̂ k̂

rd

ˆˆdA n dA rdrd k  Differential cross‐sectional area vector

ˆdA rd dz r 

Differential surface  area vector

Unit vectors

Arbitrary vector notation:

ˆˆˆr zV V r V V k   

r

z

Differential Volume: dV rdrd dz

Gradient (del) operator: 1 ˆˆr̂ k

r r z 

   

      

Laplacian operator: 2 2

2 2 2 2

1 1 r

r r r r z     

        

CYLINDRICAL COORDINATES DIFFERENTIAL VOLUME AND OPERATORS

r

z 

CONTINUITY AND NAVIER‐STOKES EQUATIONS FOR LAMINAR  INCOMPRESSIBLE FLOW IN CYLINDRICAL COORDINATES 

For a velocity vector field: ˆˆ ˆ , ( , , , )r zv v r v v z v v r z t       

Continuity: 1 1

( ) 0zr v v

rv r r r z

  

     

2 2 2

2 2 2 2 2

1 1 2 : r r r r r r r rr z r

v v vv v v v v v v vp r dir v v g r

t r r z r r r r r r z r r     

               

                           

Navier-Stokes:

2 2

2 2 2 2 2

1 1 1 2 : r rr z

v v v v v v v v v v v vp dir v v g r

t r r z r r r r r r z r r          

                   

                             2 2

2 2 2

1 1 : z z z z z z zr z z

vv v v v v v vp z dir v v g r

t r r z z r r r r z   

             

                       

For 2-D axisymmetric flow: ˆ ˆ 0 , ( , , )r zv v r v z v v r z t 

    

AND   

Continuity: 1

( ) 0zr v

rv r r z

  

 

Navier-Stokes:

2

2 2

1 : r r r r r rr z r

v v v v v vp r dir v v g r

t r z r r r r z r   

                               

2

2

1 : z z z z zr z z

v v v v vp z dir v v g r

t r z z r r r z   

                              

2Dv g p v Dt

        

0v    