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Examen

Solutions Manual for Computational Fluid Dynamics for Mechanical Engineering (1st Edition) by George Qin – Chapters 1 to 8

Note
-
Vendu
-
Pages
113
Qualité
A+
Publié le
30-09-2025
Écrit en
2025/2026

This comprehensive solutions manual provides detailed, step-by-step solutions to exercises from Chapters 1–8 of Computational Fluid Dynamics for Mechanical Engineering (1st Edition) by George Qin. It covers key CFD topics including governing equations of fluid motion, finite difference and finite volume methods, discretization techniques, mesh generation, boundary conditions, numerical stability, and turbulence modeling. Perfect for students in mechanical, aerospace, and civil engineering, this manual bridges theory with computational practice and is ideal for coursework, projects, and simulation-based design. computational fluid dynamics solutions, george qin cfd answers, finite volume method problems, discretization techniques solved, mesh generation exercises, boundary condition implementation, navier stokes equation solutions, turbulence modeling in cfd, numerical stability analysis, cfd for mechanical engineers, chapter wise cfd answers, heat transfer and flow modeling, cfd textbook solutions, george qin manual, simulation based fluid dynamics

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Mechanical
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École, étude et sujet

Établissement
Mechanical
Cours
Mechanical

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Publié le
30 septembre 2025
Nombre de pages
113
Écrit en
2025/2026
Type
Examen
Contenu
Questions et réponses

Sujets

Aperçu du contenu

(All Chapters 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

, Chaṗter 1
1. Show that Equation (1.14) can also be written as
𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕2𝑢 𝜕2𝑢 1 𝜕𝑝
+𝑢 +𝑣 = 𝜈 ( 2 + 2) −
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥
Solution
Equation (1.14) is
𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕(𝑣𝑢) 𝜕2𝑢 𝜕2𝑢 1 𝜕𝑝
+ + = 𝜈 ( 2 + 2) − (1.13)
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥
The left side is

𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕(𝑣𝑢) 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑣
+ + = + 2𝑢 +𝑣 +𝑢
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑦
𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑣 𝜕𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑢
= +𝑢 +𝑣 +𝑢( + )= +𝑢 +𝑣
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦
since 𝑦
𝜕𝑢 𝜕𝑣
+ =0
𝜕𝑥 𝜕𝑦
due to the continuity equation.
2. Derive Equation (1.17).
Solution:
From Equation (1.14)
𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕(𝑣𝑢) 𝜕2𝑢 𝜕2𝑢 1 𝜕𝑝
+ + = 𝜈 ( 2 + 2) −
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥
Define
𝑢̃ = 𝑢 , 𝑣̃ = 𝑣 , 𝑥̃ = 𝑥𝑖 , 𝑡̃ = 𝑡𝑈 , 𝑝̃ = 𝑝
𝑈 𝑈 𝑖 𝐿 𝐿 𝜌𝑈2
Equation (1.14) becomes
𝑈𝜕𝑢̃ 𝑈 2𝜕(𝑢̃ 2) 𝑈 2𝜕(𝑣̃ 𝑢 𝜈𝑈 𝜕 2𝑢̃ 𝜕 2𝑢̃ 𝜌𝑈 2 𝜕𝑝̃
+ + = ( + )−
𝐿 𝐿𝜕𝑥̃ 𝐿𝜕𝑦̃ 𝐿2 𝜕𝑥̃ 2 𝜕𝑦̃ 2 𝜌𝐿 𝜕𝑥̃
̃
𝑈 𝜕𝑡
Dividing both sides by 𝑈2/𝐿, Equation (1.17) follows.

3. Derive a ṗressure Ṗoisson equation from Equations (1.13) through (1.15):

, 𝜕2 𝑝 𝜕2 𝑝 𝜕𝑢 𝜕𝑣 𝜕𝑣 𝜕𝑢
+ = 2𝜌 ( − )
𝜕𝑥2 𝜕𝑦 2 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦
Solution:
𝜕𝑢 𝜕𝑣
+ =0 (1.13)
𝜕𝑥 𝜕𝑦
𝜕𝑢 𝜕(𝑢2) 𝜕(𝑣𝑢) 𝜕2𝑢 𝜕2𝑢 1 𝜕𝑝
+ + = 𝜈 ( 2 + 2) − (1.14)
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥
𝜕𝑣 𝜕(𝑢𝑣) 𝜕(𝑣 )
2 2
𝜕𝑣 𝜕𝑣 2 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 uṗ, we have

𝜕 𝜕𝑢 𝜕𝑣 𝜕2(𝑢2) 𝜕2(𝑣𝑢) 𝜕2(𝑣2)
( + )+ +2 +
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥2 𝜕𝑥𝜕𝑦 𝜕𝑦2
𝜕 2 𝜕 2 𝜕𝑢 𝜕𝑣 1 𝜕2𝑝 𝜕2 𝑝
= 𝜈 ( 2 + 2) ( + ) − ( + )
𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜌 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦2
Due to continuity, we have
𝜕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 incomṗressible flow we can define the stream function 𝜙 by requiring
𝜕𝜙 𝜕𝜙
𝑢= ;𝑣=−
𝜕𝑦 𝜕𝑥
We also can define a flow variable called vorticity
𝜕𝑣 𝜕𝑢
𝜔= −
𝜕𝑥 𝜕𝑦
Show that
𝜕2 𝜙 𝜕2 𝜙
𝜔 = −( 2 + )
𝜕𝑥 𝜕𝑦2
Solution:
𝜕𝑣 𝜕𝑢 𝜕 𝜕𝜙 𝜕 𝜕𝜙 𝜕2 𝜙 𝜕2 𝜙
𝜔= − = (− )− ( ) = −( + )
𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑥2 𝜕𝑦2
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