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Examen

Solution Manual - Computational Fluid Dynamics for Mechanical Engineering, 1st Edition by George Qin, All 1-8 Chapters Covered ,Latest Edition

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Vista previa del contenido

Computational Fluid Dynamics for
Mechanical Engineering, 1stEdition by Qin
Ch 1 to 8




SOLUTION MANUAL

,Table of contents


Chapter 1 Essence of Fluid Dynamics

Chapter 2 Finite Difference and Finite Volume Methods

Chapter 3 Numerical Schemes

Chapter 4 Numerical Algorithms

Chapter 5 Navier–Stokes Solution Methods

Chapter 6 Unstructured Mesh

Chapter 7 Multiphase Flow

Chapter 8 Turbulent Flow

, Chapter 1
1. Shoẇ that Equation (1.14) can also be ẇritten as
𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕2 𝑢 𝜕2 𝑢 1 𝜕𝑝
+𝑢 +𝑣 = 𝜈( + )−
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥2 𝜕𝑦2 𝜌 𝜕𝑥
Solution

Equation (1.14) is
𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕(𝑣𝑢) 𝜕2 𝑢 𝜕2 𝑢 1 𝜕𝑝
+ + = 𝜈 ( 2 + 2) − (1.13)
The left side is 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥

𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕(𝑣𝑢) 𝜕𝑢 + 2
𝑢 𝜕𝑢 + 𝑣 𝜕𝑢 + 𝑢 𝜕𝑣
+ + =
𝜕𝑥 𝜕𝑡
𝜕𝑡 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑦
𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑣 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢
= +𝑢 +𝑣 + 𝑢( + )= +𝑢 +𝑣
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦
since 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦
𝜕𝑢 𝜕𝑣
+ =0
𝜕𝑦
due to the continuity equation. 𝜕𝑥

2. Derive Equation (1.17).
Solution:
From Equation (1.14)
𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕2 𝑢
𝜕(𝑣𝑢) 𝜕2 𝑢 1 𝜕𝑝
+ + + = 𝜈(
)−
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥2 𝜕𝑦2 𝜌 𝜕𝑥
Define 𝑥𝑖 𝑡𝑈 𝑝
𝑢 𝑣 = , 𝑡̃ = , 𝑝̃ =
𝑢̃
𝑥̃ = , ̃
𝑣 = ,
𝑈 𝑈 𝑖 𝐿 𝐿 𝜌𝑈2
Equation (1.14) becomes
𝑈𝜕𝑢̃ ̃ 2)
𝑈 2 𝜕(𝑢 𝑈 2 𝜕(𝑣̃ 𝑢 ̃ 𝜕2𝑢
𝜈𝑈 𝜕 2 𝑢 ̃ 𝜌𝑈 2 𝜕𝑝̃
+ + = ( + )−
𝐿 𝐿𝜕𝑥̃ 𝐿𝜕𝑦̃ 𝐿2 𝜕𝑥̃ 2 𝜕𝑦̃ 2
𝜕𝑡 ̃ 𝜌𝐿 𝜕𝑥̃
𝑈
Dividing both sides by 𝑈2/𝐿, Equation (1.17) folloẇs.

3. Derive a pressure Poisson equation from Equations (1.13) through (1.15):

, 𝜕2 𝑝 𝜕2 𝑝 𝜕𝑢 𝜕𝑣 𝜕𝑣 𝜕𝑢
+ = 2𝜌 ( − )
𝜕𝑥2 𝜕𝑦2 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦
Solution
:
𝜕𝑢 𝜕𝑣 = 0 (1.13)
+
𝜕𝑦
𝜕𝑥
𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕2 𝑢
𝜕(𝑣𝑢) 𝜕2 𝑢 1 𝜕𝑝
+ +
= 𝜈 ( 2 + 2) − (1.14)
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥
𝜕𝑣 𝜕(𝑢𝑣) 𝜕(𝑣2) 𝜕2 𝑣 𝜕2 𝑣 1 𝜕𝑝
+ + = 𝜈 ( 2 + 2) − (1.15)
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑦
Taking 𝑥-derivative of each term of Equation (1.14) and 𝑦-derivative of each term of Equation (1.15),
then adding them up, ẇe have

𝜕 𝜕𝑢 𝜕𝑣 𝜕2(𝑢2) 𝜕2(𝑣𝑢) 𝜕2(𝑣2)
( + )+ +2 +
𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥2 𝜕𝑦2
𝜕𝑡 𝜕𝑥𝜕𝑦
𝜕2 𝜕2 𝜕𝑢 𝜕𝑣 1 𝜕2𝑝 𝜕2 𝑝
= 𝜈 ( 2 + 2) ( + ) − ( + )
Due to continuity, ẇe have 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦2

𝜕2 𝑝 𝜕2 𝑝 𝜕2(𝑢2) 𝜕2(𝑣𝑢) 𝜕2(𝑣2)
+ = −𝜌 [ + 2 + ]
𝜕𝑥2 𝜕𝑦2 𝜕𝑥2 𝜕𝑥𝜕𝑦 𝜕𝑦2
= −2𝜌(𝑢𝑥𝑢𝑥 + 𝑢𝑢𝑥𝑥 + 𝑢𝑥𝑣𝑦 + 𝑢𝑣𝑥𝑦 + 𝑢𝑥𝑦𝑣 + 𝑢𝑦𝑣𝑥 + 𝑣𝑦𝑣𝑦 + 𝑣𝑣𝑦𝑦)
𝜕 𝜕 𝜕𝑢 𝜕𝑣
= −2𝜌 [(𝑢𝑥 + 𝑢 + 𝑣 ) ( + ) + 𝑢𝑦𝑣𝑥 + 𝑣𝑦𝑣𝑦]
𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦
𝜕𝑢 𝜕𝑣 𝜕𝑣 𝜕𝑢
= −2𝜌(𝑢𝑦𝑣𝑥 + 𝑣𝑦𝑣𝑦) = −2𝜌(𝑢𝑦𝑣𝑥 − 𝑢𝑥𝑣𝑦) = 2𝜌 ( − )
𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦
4. For a 2-D incompressible floẇ ẇe can define the stream function 𝜙 by requiring
𝜕𝜙 𝜕𝜙
𝑢= ; 𝑣=−
𝜕𝑦 𝜕𝑥
Ẇe also can define a floẇ variable called vorticity
𝜕𝑣 𝜕𝑢
𝜔= −
𝜕𝑦
Shoẇ that 𝜕𝑥
𝜕2 𝜙 𝜕2 𝜙
𝜔 = −( 2 + )
Solution 𝜕𝑥 𝜕𝑦2
:
𝜕𝑣 𝜕𝑢 𝜕 𝜕𝜙 𝜕 𝜕𝜙 𝜕2 𝜙 𝜕2 𝜙
𝜔= − = (− )− ( ) = −( 2 + )
𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦2
𝜕𝑦

Información del documento

Subido en
19 de mayo de 2025
Número de páginas
180
Escrito en
2024/2025
Tipo
Examen
Contiene
Preguntas y respuestas
$21.49

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