background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

L

E

E

C

C

T

T

U

U

R

R

E

E

 

 

6

6

 

 

K

K

I

I

N

N

E

E

M

M

A

A

T

T

I

I

C

C

S

S

 

 

O

O

F

F

 

 

F

F

L

L

U

U

I

I

D

D

S

S

 

 

P

P

A

A

R

R

T

T

 

 

2

2

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 

 

 

background image

R

R

E

E

L

L

A

A

T

T

I

I

V

V

E

E

 

 

M

M

O

O

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

O

O

F

F

 

 

F

F

L

L

U

U

I

I

D

D

 

 

E

E

L

L

E

E

M

M

E

E

N

N

T

T

S

S

 

 

 

Consider two fluid elements located instantaneously at the close points A and B. We ask what 
happens to the relative position of these fluid elements after a short time interval  

t

 

The location of the first fluid element after the time 

t

 can 

be expressed as follows 

 

2

A

A

A

(t,

)Δt O(Δt )

x

x

v

x

 

 

Since    

B

A

x

x

ρ

  then analogously we have 

 

2

B

A

A

(t,

)Δt O(Δt )

 

x

x

ρ v

x

ρ

 

where  the  vector 

ρ

  describes  the  relative  position  of  the 

fluid elements at the time 

t

.  

 

During a short time interval 

t

 this vector has changed and can be expressed as  

 

2

2

B

A

A

A

2

(t

t)

(t) [ (t,

)

(t,

)] t O( t )

(t)

(t, )

t O( t , t | | )

 

ρ

x

x

ρ

v

x

ρ

v

x

ρ

v

x ρ

ρ

 

 
In the above, we have dropped the lower index “A” at the location vector corresponding to the 
first element.  

t

t+t

x

1

x

3

x

2

0

A

A'

B

B'

=x

B

-x

A

'=x

B'

-x

A'

'

background image

The  rate of  change of  the vector describing  the  relative  position of  two close  fluid  elements 
can be calculated  

2

t

0

d

(t

t)

(t)

lim

(t, )

O(| | )

dt

t

 

ρ

ρ

ρ

v

x ρ

ρ

 

We have introduced the matrix (tensor) called the velocity gradient    

j

x

i

ij

v

v

. 

 

The velocity gradient 

v

 can be written as a sum of two tensors  

 

v

D R

, where 

 

T

1

2

[

(

) ]

  

D

v

v

    or   

j

i

ij

j

i

v

v

1

d

2

x

x

   - symmetric tensor, 

and 

                    

T

1

2

[

(

) ]

  

R

v

v

    or    

j

i

ij

j

i

v

v

1

r

2

x

x

    -  skew-symmetric tensor 

 

We  will  show  that  the  change  of  the  relative  position  of  the  fluid  elements  due  to  the 
action  of  the  antysymmetric  tensor 

R

  corresponds  to  the  local  “rigid”  rotation  of  the 

fluid.  

 

Next,  we  will  show  that  the  action  of  the  symmetric  part 

corresponds  to  the  “real” 

deformation, i.e. it is responsible of the change in shape and volume

 

background image

To this end, we note that    

1

2

ij

ijk

k

r

  

,  where 

k

 are the Cartesian components of the 

vorticity vector    

k

k

ijk

i

j

v

rot

x

 

ω

v

e



Indeed, we have  

 

   

j

j

i

i

1

1

2

2

ijk

k

i

j

i

j

ij

i

j

j

i

v

v

v

v

v

v

1

1

(

)

r

x

x

2

x

x

2

x

x



 

 

  

 

 

 

 
Thus, we can write                   

1

1

1

2

2

2

ij

j

i

ijk

j

k

i

r

 

  

 

R ρ

e

e

ρ ω

ω ρ

 
 Moreover, we get                

2

d

d

d

dt

dt

dt

| |

( , )

2( ,

) 2( ,

)

(

)

 

ρ

ρ ρ

ρ

ρ

ρ Rρ

ρ ω ρ

0

  

 

i.e.,  the  distance  between  two  (arbitrary)  fluid  elements  is  fixed  and  there  is  no  shape 
deformation.  

 

The  skew-symmetric  part  of  the  velocity  gradient  describes 

pure  rigid  rotation

  of  the 

fluid and the 

local angular velocity is equal

 

1

2

ω

background image

D

D

E

E

F

F

O

O

R

R

M

M

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

O

O

F

F

 

 

F

F

L

L

U

U

I

I

D

D

 

 

E

E

L

L

E

E

M

M

E

E

N

N

T

T

S

S

 

 

 
The  rate  of  change  of  the  relative  position  vector  (or  –  equivalently  –  the  velocity  of  the 
relative motion of two infinitely close fluid elements) can be expressed by the formula  
 

deformation

rigid rotation

d

1

2

dt

ρ

R ρ

ω ρ

 

The first terms consists the symmetric tensor 

D

, called the deformation rate tensor.   

 
The tensor 

D

 can be expressed as the sum of the spherical part 

D

SPH

 and the deviatoric part  

D

DEV

 

 

DEV

SPH

D

D

D

 

 
The  spherical  part 

D

SPH

  describes  pure  volumetric  deformation  (uniform  expansion  or 

contraction without any shape changes) and it defined as 

 

trace
of

k

SPH

SPH ij

ij

k

tr

v

1

1

1

(

)

(

)

3

3

3 x

 



D

D

D

I

v I

D

 , 

Note that  

 

 

 

SPH

1

tr

(

) tr

(

)

div

3



 

D

v

I

v

v

 

background image

 
The second part 

D

DEV

 describes shape changes which preserve the volume.  

 

We have         

j

i

k

DEV

DEV ij

ij

j

i

k

v

v

v

1

1

1

div

(

)

3

2

x

x

3 x

D

D

v I

D

      

 
and                                             

DEV

SPH

tr

tr

tr

0

D

D

D

 

 
To explain the geometric interpretation of both parts of the deformation rate tensor, consider 
the deformation of a small, initially rectangular portion of a fluid in two dimensions.  Assume 
there is no rotation part and thus we can write  
 

d

DEV

SPH

dt

ρ Dρ D

ρ D

ρ

 . 

 
For a short time interval 

t

 the above relation yields 

 

2

1

2

DEV

SPH

(t

t)

(t)

t

t

O( t )

ρ

ρ

ρ

ρ

D

ρ

D

ρ





 

 
 

background image

Consider the 2D case when only volumetric part of the deformation exists (see picture).  
 

We have     

SPH

d 0

0 d

D

   ,   

tr

2d

D

 

 
The  relative  position  vector  at  the  time 
instant 

t

t

 is expressed as 

 

2

(t

t)

(1 d t) (t) O( t )

ρ

ρ

 
 
The  shape  of  the  volume  is  preserved
  because  the  above  formula  describes  the  isotropic 
expansion/contraction. The volume of the region 

1

2

Vol (t)

L L

 has been changed to 

 

2

2

1

2

Vol (t

t)

L L (1 d t)

Vol (t)(1 2d t) O( t )

 

 

and                    

t

0

Vol (t

t) Vol (t)

1

lim

2d

tr

Vol (t)

t

  

D

v

 

 

 

O

x

1

x

2

A

B

C

(t)

B'

C'

A'

{

{

dt L

2

dt L

1

(t+t)

O

x

1

x

2

A

B

C

(t)

background image

 

Assume  now  that  the  spherical  part  of  the  deformation  rate  tensor  is  absent.  The  deviatoric 
part of this tensor in a 2D flow can be written as follows 

 

 

1

1

2

2

11

12

11

22

12

DEV

1

1

2

2

12

22

12

22

11

d

d

d

(d

d )

d

d

d

d

d

(d

d )

 

D

 
The fluid deformation during the short time 
interval can be now expressed as 

 

2

DEV

O( t )

(t

t)

(

t

) (t)

ρ

I

D

ρ

 

 
or in the explicit form as  

 

1

1

2

2

1

2

x (t

t)

(1

t) x (t)

t x (t)

x (t

t)

t x (t) (1

t) x (t)

 

 

 

 

 

 

Note the presence of shear, which manifests in the change of the angles between the position 
vectors corresponding to different fluid elements in the deforming region. 

 
 

 

O

x

1

x

2

A

B

C

(t)

B'

C'

A'

{

{

t L

2

t L

1

(t+t)

{

{

t L

2

t L

1

O

x

1

x

2

A

B

C

(t)

background image

Let’s compute again the change of the volume of the fluid region during such deformation.  
 
We get  
 

2

2

2

2

1

2

1

2

2

1

t

t

Vol (t

t)

L L

L L (1

t

t )

t

1

t

Vol (t) O( t )

 

 

 

 

 

 

 
so 
 

t

0

Vol (t

t) Vol (t)

1

lim

0

Vol (t)

t

 
 
We conclude that this time the instantaneous rate of the volume change is zero
 
Thus,  instantaneously,  the  deviatoric  part  of  the  deformation  describes  pure  shear  (no 
expansion/contraction).