background image

 
 
 
 
 
 
 
 

I

I

N

N

T

T

R

R

O

O

D

D

U

U

C

C

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

T

T

O

O

 

 

F

F

L

L

U

U

I

I

D

D

 

 

M

M

E

E

C

C

H

H

A

A

N

N

I

I

C

C

S

S

 

 

 
 

LECTURE NOTES FOR THE COURSE “FLUID MECHANICS I” 

(in progress) 

 
 

written by JACEK SZUMBARSKI 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 

1

 

 
 
 
 
 

M

M

A

A

T

T

H

H

E

E

M

M

A

A

T

T

I

I

C

C

A

A

L

L

 

 

P

P

R

R

E

E

L

L

I

I

M

M

I

I

N

N

A

A

R

R

I

I

E

E

S

S

 

 

 

 
 
 
 
 
 

background image

 

2

VECTORS AND TENSORS IN 3D EUCLIDEAN SPACE E

 

Orthogonal basic unary vectors (versors) :  e

1

e

2

e

3

 

 

        

 

 

 

i

j

ij

1 if i

j

( , )

0 if i

j

δ

=

= ≡

e e

 

 
Any vector in E

is expressed as unique linear combinations of the basic versors 

 

1 1

2 2

3 3

i i

a

a

a

a

=

+

+

a

e

e

e

e

   -   summation (Einstein) convention 

 

1

2

3

[a ,a ,a ]

=

a

  -   canonical equivalence of E

3

 and R

3

 

 

I

NNER 

(

SCALAR

PRODUCT

 

 
Let 

i i

a

=

a

e

 and  

j j

b

=

b

e

.  We define  the inner product of 

a

 and 

b

 

( )

i

j

i

j

i

j ij

i i

,

a b ( , )

a b

a b

δ

⋅ ≡

=

=

=

a b

a b

e e

 

 

Note that 

i

i

( , )

a

=

a e

   hence  we can write  

i

i

( , )

=

a

a e e

 

background image

 

3

V

ECTOR 

(

CROSS

PRODUCT

 

 

We define the operation 

×

 on the basic vectors: 

 

1

2

3

2

3

1

3

1

2

,

,

× =

× =

× =

e

e

e

e

e

e

e

e

e

 

i

i

no summation!

×

=

e

e

0



   ,    

i

j

j

i

× = − ×

e

e

e

e

 

 

Assuming linearity with respect to both arguments, we extend this operation to all vectors in 
the space E

3

 

 

2

3

3 2

1

3 1

1 3

2

1 2

2 1

3

i i

j j

i

j

i

j

a

b

a b

(a b

a b )

(a b

a b )

(a b

a b )

× =

×

=

× =

+

+

a b

e

e

e

e

e

e

e

 

 

Practical way of computing the vector product 

 

1

2

3

2

3

1

3

1

2

1

2

3

1

2

3

2

3

1

3

1

2

1

2

3

a

a

a

a

a

a

a

a

a

b

b

b

b

b

b

b

b

b

× =

=

+

e

e

e

a b

e

e

e

 

background image

 

4

A

LTERNATING SYMBOL

 

 

ijk

0 if i

j or i

k or j

k

1 if {i, j, k} is an even permutation of {1,2,3}

1 if {i, j, k} is an odd permutation of {1,2,3}

=

=

=

∈ =

 

 

For instance we have   

 

 

213

1

∈ = −

    ,    

311

0

∈ =

    ,    

231

1

∈ =

 

The vector product of a and b can be nicely written as follows 
 

ijk

j k i

a b

× =∈

a b

e

 

 
Another useful operation is the mixed product of three vectors 
 

1

2

3

1

2

3

ijk

i

j k

1

2

3

a

a

a

(

)

b

b

b

a b c

c

c

c

⋅ × =

=∈

a b c

 

 
Determinant of the matrix A (dim A = 3):        

ijk

1,i 2, j 3,k

det

a a a

=∈

A

 

background image

 

5

2

ND

-

RANK  TENSORS IN 

E

3

 

 

Tensors as bilinear transformations (functionals) 

3

3

×

E

E

R

 

 

Bi-linearity means that           

1 1

2

2

1

1

2

2

1 1

2

2

1

1

2

2

T(

, )

T( , )

T(

, ) ,

T( ,

)

T( ,

)

T( ,

) .

α

α

α

α

α

α

α

+

=

+

+

=

+

x

x y

x y

x y

x

y

α y

x y

x y

 

 

For two arbitrary vectors 

x

 and 

y

 we can write 

 

i i

j j

i

j

i

j

ij i

j

T( , )

T(x

, y

)

x y T( , )

t x y

=

=

=

x y

e

e

e e

 

 

The  matrix 

T

  such  that 

ij

ij

t

 

 

=

T

  represents  the  tensor  T  in  the  assumed  reference 

frame (or with respect to assumed basic versors)   

 

Some operations on tensors: 

 

Addition:      

1

2

1

2

1

2

ij

ij

ij

T

T

T

t

t

t

= +

= +

= +

T

T

T

 

Multiplication by a scalar   

1

1

1

ij

ij

T

T

t

t

β

β

β

=

=

=

T

T

 

Multiplication of two tensors   

1

2

1 2

1 2

ij

ik kj

T

T T

t

t t

=

=

=

T

T T

 

Scalar (Frobenius) product of two tensors    

1 2

1

2

ij ij

s

T : T : t t

(double summation !)

=

=

  

background image

 

6

2

ND

-

RANK  TENSORS IN 

E

3

 

CONTINUED

 

 

Basic linear functionals  

3

E

R

:        

i

j

ij

( ) :

δ

=

e

e

 

 
Tensor product of the basic functionals:   
 

m m

i

j

i

j

i

k k

j

m

m

m

k

i

k

j

k

ik

jm

i

j

(

)( , ) :

( ) ( )

(x

) (y

)

x y

(

) (

)

x y

x y

δ δ

=

=

=

=

=

=

x y

x

y

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

 

 
Thus we can write   

ij i

j

ij

i

j

T( , )

t x y

t (

)( , )

=

=

x y

x y

e

e

  or  

ij i

j

T

t

=

e

e

 
The linear space of the 2

nd

-rank tensors is 9-dimensional. 

 
 

 
 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 

7

O

RTHOGONAL TRANSFORMATIONS OF COORDINATE SYSTEMS

 

 

 

Assume  that  different  basic  vectors  are  introduced 

1

2

3

,

,

′ ′ ′

e e e

  (see  figure).  These  vectors  can  be 

expressed by means of the “old” basic vectors.  
 
Consider       

i

ik k

z

=

e

e

    ,    

m

j

jm

z

=

e

e

 
The orthogonality condition for the new base yields 
 

m

ij

ij

i

j

ik

jm

k

ik

jm km

T

T

ik

jk

ij

ij

( )

( , )

z z (

,

)

z z

z z

(

)

(

)

δ

δ

= =

=

=

=

′ ′

=

=

=

I

e e

e e

ZZ

Z Z

 
 
 
We  conclude  that  the  transformation  of  the  basis  preserves  orthonormality  of  the  basic 
vectors if and only if the transformation matrix 

Z

 satisfies the relation 

1

T

=

Z

Z

,   i.e., 

it is the orthogonal matrix.  

e

1

e

3

e

2

0

background image

 

8

O

RTHOGONAL TRANSFORMATIONS OF COORDINATE SYSTEMS 

CONTINUED

 

 
 
Each vector 

x

 from E

can be expressed with respect to both basis, namely 

 

i i

i i

x

x

=

= ′ ′

x

e

e

 

Thus       

 

 

 

 

i i

i

ij

j

j

ji

i

x

x z

x z

=

=

=

x

e

e

e

 
meaning that   

 

T

1

i

ji

j

ij

j

ij

j

x

z x

(

) x

(

) x

=

=

=

Z

Z

        

and        
 

i

ij

j

x

( ) x

=

Z

 

These are the transformation rules for the vectors!

 

 

 
 

background image

 

9

O

RTHOGONAL TRANSFORMATIONS OF COORDINATE SYSTEMS 

CONTINUED

 

 
 
Consider the tensor T and its representation with respect to both basis (reference frames) 
 

ij i

j

ij i

j

T( , )

t x y

t x y

=

= ′ ′ ′

x y

 
We can write              
 



kj

T

km

km

m

m

ij i

j

ij ki

k

mj

k

ki ij

mj

(

)

T

T

m

m

m

k

kj

jm

k

km

k km

t

(

)

T( , )

t x y

t z x z y

x z t z y

x (

) (

)

y

x (

)

y

x t

y

=

=

=

=

=

=

=

′ ′ ′

ZT

ZTZ

x y

ZT

Z

ZTZ





 

 

The matrix representing the tensor T in the new base is given as  
 

T

1

=

=

T

Z T Z

Z T Z

 

 

Thus, we have obtained the transformation rule for the 2

nd

 – rank tensors! 

background image

 

10

D

IFFERENT VIEW

: 2

ND

 

RANK TENSORS AS LINEAR MAPPINGS

 

3

3

E

E

 

 

Consider the 2

nd

-rank tensor 

T

 and two vectors 

x

 and 

y

.  

 
We have                                       





i

inner

product

i

ij

j

i

i

w

( , )

T( , )

x t y

x w

=

=

=

x w

x y

The vector 

w

 can be defined as 

=

w

y

T

.  

 
The linear transformation 

3

3

:

E

E

T

 is defined by its action on the basic versors as  

 

j

ij i

t

=

e

e

T

 

 

Indeed, for any vector 

w

 we get    

 

j j

j

j

ij

j i

i i

(y

)

y

t y

w

=

=

=

=

=

w

y

e

e

e

e

T

T

T

 
Equivalence between 2-rank tensors and linear mappings can be established as follows

 

 

T: T( , ) : ( ,

)

=

x y

x

y

T

T

      ,       

i

i

T

:

: T( , )

=

y

e y e

T

T

background image

 

11

E

IGENVECTORS

EIGENVALUES AND TENSOR INVARIANTS 

 

 

The eigenvalue problem: 

 

1

st

 formulation:  find  

λ

C

 and nonzero 

w

 such that  

λ

=

w

w

T

,  or 

2

nd

 formulation: find 

λ

C

  and nonzero 

w

 such that  

T( , )

( , )

λ

=

x v

x v

 for each vector 

x

 

from the space 

E

3

 
Equivalently, we have   
 

T

ij

j

i

i

(t v

v )

p ( )

det (

)

0

λ

λ

λ

=

=

=

e

0

T

I

 
Thus eigenvalues are the roots of the characteristic polynomial 

p

T

(λ).

 

 
Tensor 

T

 is symmetric when 

T( , )

T( , )

=

x y

y x

, i.e. when 

ij

ji

t

t

=

 (check!) or 

T

=

T

T

 
If  the  tensor  T  is  symmetric  then  its  all  eigenvalues  are  real  and  the  eigenvectors 
corresponding  to  different  eigenvalues  are  orthogonal
  (the  proof  can  be  found  in 
standard algebra textbooks). 
 

background image

 

12

E

IGENVECTORS

EIGENVALUES AND TENSOR INVARIANTS 

CONTINUED

 

 

The characteristic polynomial is invariant, i.e. it is the same in all orthogonal reference 
frames
. Indeed, according to the transformation rule we have 

 

1

1

T

1

1

p ( )

det (

)

det (

)

det [ (T

)

]

det

det (

) det

det

det (

) (det )

det (

)

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

=

=

=

=

=

=

=

T

I

ZTZ

I

Z

I Z

Z

T

I

Z

Z

T

I

Z

T

I

 

 

We are mostly interested in 3D case. Then, we can write 
 

3

2

T

1

2

3

p ( )

J

J

J

λ

λ

λ

λ

= − +

+

 

where  

                

 

1

11

22

33

ii

J

tr T : t

t

t

t

=

= ≡

+

+

      (“tr” means trace), 

2

2

1

2

2

J

[(tr T)

tr T ]

=

                  (calculate for 2D case!), 

3

J

det T

=

 

The  following  relations  hold  between  invariants  and  the  eigenvalues  (Viete’s  formulas 
for 3

rd

-order polynomial) 

 

1

1

2

3

J

λ λ λ

= + +

   ,   

2

1 2

1 3

2 3

J

λ λ λ λ λ λ

=

+

+

    ,    

3

1 2 3

J

λ λ λ

=

background image

 

13

C

AYLEY

-H

AMILTON 

T

HEOREM

 

 

Any square matrix 

A

 satisfies its own characteristic polynomial 

A

p ( )

det(

)

λ

λ

=

A

I

, i.e. 

we have 

A

p ( )

=

A

0

 

 

Proof 
 

For 

invertible 

square  matrix 

M

 

we  have 

(

)

1

1

T

det

(cof

)

=

M

M

M

Thus 

T

(cof

)

det

=

M

M

M I

 
Let 

λ

= −

M

A

I

.  Then 

T

( ) : [cof (

)]

λ

λ

=

B

A

I

  is  the  matrix  polynomial  of  the  order  not 

larger than n -1 (n – dimension of 

A

 

n 1

n 1

n 1

n 1

1

0

( )

...

λ λ

λ

λ

=

+

+ +

+

B

B

B

B

B

 

and we have  
 

(

)

n 1

n 1

n 1

n 1

1

0

n

n 1

n 1

1

0

(

)

...

det(

)

(

c

... c

c )

λ λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

+

+ +

+

=

=

⋅ =

+

+ +

+

A

I

B

B

B

B

A

I I

I

 

 

background image

 

14

C

AYLEY

-H

AMILTON 

T

HEOREM 

CONTINUED

 

 
The above equality is satisfied for any number 

λλλλ

 so the corresponding matrix coefficients 

at both sides should be the same. Thus 

 

n 1

k 1

k

k

0

0

c

, k

n 1, n 2, ..,1

c

=

+

=

= −

=

B

I

B

AB

I

AB

I

 

 

Let’s multiply (from the left side) the first equation by 

n

A

, the second one by 

n 1

A

 and so 

on (then the last equation remains unchanged) and sum up all equations. The left-hand side 
of the obtained equation is zero since all terms will cancel out in pairs! Thus we get 

 

n

n 1

n 1

1

0

A

0

c

... c

c

p ( )

=

+

+ +

+

A

A

A

I

A

 

 

as stated.

  

 

For the matrices with the dimension equal 3 we have      

3

2

1

2

3

J

J

J

− +

+

=

T

T

T

I

0

 

This  relation  will  be  used  in  the  section  devoted  to  the  constitutive  relations  in  fluid 
mechanics. 

background image

 

15

P

RODUCT OF ALTERNATING SYMBOLS

 

 

Important identity                          

ijk

k

i

j

i

j

βγ

β

γ

γ

β

δ δ

δ δ

∈ ∈ =

 

 
Proof 

Consider 

11

12

13

21

22

23

31

32

33

1 0 0

0 1 0

1

0 0 1

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

=

=

.   

 

After row’s permutation one gets   

i1

i2

i3

j1

j2

j3

ijk

k1

k2

k3

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

=∈

 

Then, after column’s permutation we obtain    

i

i

i

j

j

j

ijk

k

k

k

α

β

γ

α

β

γ

αβγ

α

β

γ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

=∈ ∈

 

background image

 

16

P

RODUCT OF ALTERNATING SYMBOLS 

CONTINUED

 

 
Now, put k = α and apply summation. 
 

The result is as follows    

ik

i

i

jk

j

j

ijk

k

kk

k

k

β

γ

β

γ

βγ

β

γ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

=∈ ∈

 ,  or 

 





ijk

k

ik

j

k

k

j

i

jk

k

kk

j

i

jk

k

kk

j

3

3

j

i

i

j

i

j

i

j

j

i

j

i

i

j

j

i

(

)

(

)

(

)

3

3

βγ

β

γ

β

γ

β

γ

γ

γ

β

β

β γ

β

γ

β

γ

β

γ

β γ

β γ

β

γ

β γ

δ δ δ

δ δ

δ δ δ

δ δ

δ δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

∈ ∈ =

+

=

=

+

+

=

 

 

Exercise: Using index formalism derive the following vector identity 
    

(

)

( , )

( , )

× × =

a

b c

a c b

a b c

 

 

 
 

background image

 

17

BASIC DIFFERENTIAL OPERATORS (IN CARTESIAN CO.S.) 

 

Gradient of a scalar field  

f

f (t, )

=

r

 

 

i

1

2

3

i

f

f

f

f

f

,

,

x

x

x

x

∇ =

=

e

     (vector) 

 - nabla operator 

 

Divergence of the vector field 

i

i

w (t, )

=

w

r e

 

 



formal inner

product

j

3

1

2

1

2

3

j

w

w

w

w

div

x

x

x

x

≡ ∇⋅

=

+

+

=

w

w

       

(scalar) 

 

Rotation (curl) of the vector field  

i

i

w (t, )

=

w

r e

 

 

formal vector

prod

3

3

2

1

2

1

1

2

3

2

3

3

1

1

2

j

k

i

uc

jk

i

t

ijk

k

j

i

w

w

w

w

w

w

rot

x

x

x

x

x

x

w

w

x

x

≡ ∇×

=

+

+

=

=∈

=∈

w

w

e

e

e

e

e



(vector)

 

background image

 

18

 

Gradient of the vector field  

i

i

w (t, )

=

w

r e

 

 



formal dyadic

produc

i

i

j

j

t

w

Grad

x

≡ ∇

=

w

w

e

e

     

(2

nd

 –rank tensor) 

 
 

Divergence of the tensor field  

ij

i

j

T

t (t, )

=

e

e

 

 



formal matrix vector

produc

ij

i

j

t

t

Div T

T

x

∇⋅

=

e

    

 (vector)

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

background image

 

19

SOME INTEGRAL THEOREMS  (INFORMAL REMINDER) 

  

G

REEN

-G

AUSS

-O

STROGRADSKY 

(GGO) T

HEOREM

 

 

Consider  the  vector  field 

( )

=

w

w x

  defined  in  a  3D  volume  Ω  bounded  by  sufficiently 

regular surface ∂ Ω. Then 

 



n

divergence

of

component of

normal to

w

S

( , ) dS

d

⋅ =

=

∇⋅

w

w

w n

w n

w

x



 

We have analogous (dual) theorem with vector products, namely   

rotation

of

dS

d

×

= ∇×

w

n w

w x



 

S

TOKES 

T

HEOREM

 

 
Consider  the  vector  field 

( )

=

w

w x

,  the  closed  line  (loop) 

γ

  and  sufficiently  regular  (yet 

arbitrary) surface S spanned (like a soap bubble) by this line. Then 
 

component of

component of

rot

normal to S

tan gent to

S

w

( , ) d

(

, ) dS

τ

γ

γ

⋅ ≡

=

∇×

w

w

τ

τ

w n







l

 

background image

 

20

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

K

K

I

I

N

N

E

E

M

M

A

A

T

T

I

I

C

C

S

S

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

D

D

Y

Y

N

N

A

A

M

M

I

I

C

C

S

S

 

 

O

O

F

F

 

 

F

F

L

L

U

U

I

I

D

D

 

 

M

M

O

O

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

21

L

AGRANGIAN AND 

E

ULERIAN VIEWS ON THE FLUID MOTION

 

 

Fluid element is defined as an individual and 

infinitely small portion of the fluid. Each fluid 

element  is  characterized  by  its  instantaneous 

location  (or  position)  vector  x,  which  is  the 

function  of  time  t  and  the  initial  position  ξ  of 

the element, i.e. its location at the time instant 

t = 0.  Thus  we  have 

(t, )

=

x

x

ξ

  and  in 

particular 

(0, )

=

ξ

x

ξ

.  

 
 

If  we  fix 

=

ξ

ξ

  then  the  function 

(t,

)

=

x

x

ξ

  describes  some  line  in  E

3

  called  the 

trajectory of the fluid element. 

 

x

1

,

ξ

1

x

3

,

ξ

3

x

2

,

ξ

2

0

ξ

x(t,

ξ)

t=0

t>0

trajectory of a fluid element

0

(t)

background image

 

22

 

For the fixed time 

t

0

 the function 

(t, )

=

x

x

ξ

 

describes  the  transformation  of  the  region  filled 
with  the  fluid  at  the  time 

t = 0

  –  let’s  denote  it 

0

  -  to  the  region 

0

(t)

(t,

)

=

x

  containing 

the same fluid at some later time 

t

. Thus, the 

region 

Ω(t)

  is  the  image  of 

0

  with  respect  to 

the transformation 

(t, )

=

x

x

ξ

; we call  

Ω(t)

 the 

material volume because all the time it consists 
of the same fluid elements, i.e. those which are 
belong originally to 

0

.  

 

 
 
Note:

  two,  originally  different,  fluid  elements  cannot  drop  into  the  same  point  where  the 

velocity  vector  is  not  zero,  i.e.,  only  one  trajectory  can  go  through  such  point.  These 
condition can be described mathematically as follows. If 

1

(t, )

=

x

x

ξ

 and 

2

(t

, )

τ

=

+

x

x

ξ

 

then the following group property holds 
 

2

1

t

[

(t,

]

(

)

τ

τ

τ

=

+

=

=

x

x(

,ξ)

x

, x

ξ)

x

, x

.  

x

1

,

ξ

1

x

3

,

ξ

3

x

2

,

ξ

2

0

ξ

x(t,

ξ)

t=0

t>0

trajectory of a fluid element

0

(t)

background image

 

23

Any  fluid  motion  can  be  described  using  either  Lagrangian  or  Eulerian 
viewpoint.  

 
Lagrangian viewpoint: each fluid element is identified uniquely by its position at 

t = 0

, i.e. 

by the vector 

ξ

. All kinematical and dynamic quantities  are described as functions of time 

and the Lagrangian coordinates 

ξ

1

ξ

2

 and 

ξ

3

.  

 
The velocity of the fluid element is defined as 
 

t

0

(t

t, )

(t, )

(t, ) : lim

(t, )

t

t

+

=

x

ξ

x

ξ

x

V

ξ

ξ

     (

ξ

 – fixed) 

 
Fluid acceleration is  defined as       
 

2

2

t

0

(t

t, )

(t, )

(t, ) : lim

(t, )

(t, )

t

t

t

+

=

=

V

ξ

V

ξ

V

r

ξ

ξ

ξ

a

 

 
 
 
 

background image

 

24

 
Eulerian  viewpoint
:  the  velocity,  acceleration  and  other  kinematical  or  dynamical 
quantities are described as functions of time 

t

 and the position of the fluid element at this 

time instant (not at the initial time!), i.e. by the coordinates 

x

1

x

2

 and 

x

3

 of the vector 

x

.  

 
The velocity field is the function of time and space coordinates 

(t, )

=

v

v

x

.  

 
The relations between two different viewpoints can be written as 
  
Eulerian to Lagrangian:    

(t, )

[t, (t, )]

=

V

ξ

v

x

ξ

 

 
Lagrangian to Eulerian:    

inverse

transform

(t, )

[t, (t, )]

=

v

x

V

ξ

x



  

 
The Eulerian form of the fluid acceleration will be considered later. 

 

 
 

background image

 

25

 

T

RAJECTORIES OF FLUID ELEMENTS

 

 
 

Lagrange:   

t

(t, )

(t, )

=

x

ξ

V

ξ

   (

ξ

 – fixed parameter). Thus  

t

0

(t, )

( , )d

τ

τ

= +

x

ξ

ξ

V

ξ

.   

 
We  have  obtained  direct  integral  formula  which  can  be  calculated  numerically  (e.g.  using 
the trapezoidal integration rule) 
 
 
Euler
:  we have the following initial value problem  
 

d

d

1

2

3

dt

j

j

dt

j

j

x

v (t,x ,x ,x ) , j 1,2,3.

[t,x(t)]

x (0)

(0)

ξ



=

=

=

=

=

x

v

x

ξ

     

 
Typically,  the  above  Initial  Value  Problem  has  to  be  solved  numerically  (e.g.  using  the 
Runge-Kutta methods) 

background image

 

26

 

S

TREAMLINES OF THE VELOCITY FIELD

 

 

The streamline: line l such that for every point P on l the velocity vector at the point P is 
tangent to l
 
The tangency condition can be written as 
 

3

1

2

1

1

2

3

2

1

2

3

3

1

2

3

dx

dx

dx

v (t,x ,x ,x )

v (t,x ,x ,x )

v (t,x ,x ,x )

=

=

 

 
The above equalities can be view as the differential equivalent of the “edge” description of 
the 2-parameter family of lines in 3-dimensional space, namely 
 

1

1

2

3

1

2

2

1

2

3

1

2

(t,x ,x ,x ,C ,C )

0

(t,x ,x ,x ,C ,C )

0

Ξ

Ξ

=

=

 

 
In  the  above,  time 

t

  is  treated  as  the  fixed  parameter.  In  other  words,  the  pattern  of 

streamlines is determined for each time instant separately and – in general – the form 
of 

the streamlines at different time instants is not the same

.  

 

background image

 

27

S

TREAMLINES OF THE VELOCITY FIELD 

CONTINUED

 

 
The  practical  method  of  computing  the  streamlines  is  to  “freeze”  time  and  “inject”  the 
marker  particles  into  the  “frozen”  velocity  field.  The  movement  of  the  marker  particle 
injected in the point 

x

0

 is described by the following initial value problem 

 

d

d

0

( )

[t, ( )]

(

0)

τ

τ

τ

τ





=

= =

x

v

x

x

x

 

 
where  physical  time 

t

  is  fixed  (“frozen”)  and  the  variable 

τ

  is  the  “pseudo-time”.  In  other 

words, the streamlines are the trajectories of the marker particles moving in the frozen 
velocity field
.  
 
We  conclude  immediately  that  fluid  element  trajectories  and  the  streamlines  are 
identical  if  the  velocity  field  does  not  depend  explicitly  on  time,  i.e.  if  the  flow  is 
stationary

 
 
 
 
 
 

background image

 

28

E

XAMPLES

 

 

(1)  Stationary two-dimensional flow       

1

2

2 1

1 2

2

1

(x ,x )

x

x

[ x ,x ]

= −

+

≡ −

v

e

e

 

 

 

Streamlines:    

2

2

2

1

2

1

1

2

2

1

2

2

1

dx

dx

x dx

x dx

0

x

x

R , R

0.

x

x

=

+

=

+

=

 

 
We have obtained the family of the concentric circles
 

Trajectories:       

d

d

1

2

2

1

dt

dt

1

2

x

x ,

x

x

x (0)

R , x (0)

0





= −

=

=

=

 

 
The solution is   
 

1

2

x (t)

R cos(t) , x (t)

R sin(t)

=

=

 

 
which is the parametric form of the circle  

2

2

2

1

2

x

x

R , R

0

+

=

 
 

background image

 

29

(2) Nonstationary (or unsteady) flow    

1

2

2

1

1 2

2

1

(t,x ,x )

( x

t)

x

[ x

t,x ]

= − −

+

≡ − −

v

e

e

 

 

Streamlines:  

 

2

2

2

2

2

1

2

1

1

2

2

1

2

2

1

dx

dx

x dx

(x

t)dx

0

x

(x

t)

C t

R , C

t .

x

t

x

=

+

+

=

+

+

= + ≡

≥ −

− −

 

Again:  the  family  of  concentric  circles  but  the  pattern  of  the  streamlines  moves  down 
along the 0x

2

 axis with the steady speed equal –1 (see figure). 

 

Trajectories:      

d

d

1

2

2

1

dt

dt

1

10

2

20

x

x

t ,

x

x

x (0)

x

, x (0)

x





= − −

=

=

=

 

 

The solution  

1

10

20

2

10

20

x (t)

(x

1)cos(t) x sin(t) 1

x (t)

(x

1)sin(t) x cos(t) t

=

+

=

+

+

 

 
Consider 

x

10 

=  -1

  and 

x

20

  =  0

.  Then     

x

1

(t)  =  -1

    and  

x

2

(t) = -t 

so  the  fluid  element  moves  down  the  straight 

vertical line 

x

1

 = -1

 with the steady velocity equal to 

–1

.  

 

The trajectories in the unsteady flow can be quite different that the streamlines!  

x

1

x

2

t=0

t>0

tr

a

je

c

to

ry

instantaneous
  streamlines

background image

 

30

S

UBSTANTIAL 

(

MATERIAL

, L

AGRANGE

, L

IE

DERIVATIVE

 

 

Consider a sufficiently regular scalar field 

f = f(t,x) = f(t,x

1

,x

2

,x

3

)

.  

For an observer moving with a given fluid element the value of this field is a time dependent 
quantity described by the composite function  

 

F(t) : f [t, (t, )]

=

x

ξ

 

 

The  rate  of  change  in  time  of  the  field 

f

  seen  by  such  observer  moving  with  the  fluid  is 

called the substantial (material, Lagrange, Lie or full) derivative of the field f.  

 

Mathematically, we have 
 

1

2

1

2

3

1

2

3

3

1

2

3

dx

dx

Df

dF

f

f

f

[t, (t, )]:

(t)

[t, (t, )]

[t, (t, )]

(t)

[t, (t, )]

(t)

Dt

dt

t

x

dt

x

dt

dx

f

f

f

f

f

[t, (t, )]

(t)

v

v

v [t, (t, )]

x

dt

t

x

x

x

=

=

+

+

+

+

=

+

+

+

x

ξ

x

ξ

x

ξ

x

ξ

x

ξ

x

ξ

 

where we have used the relation       

j

j

dx

(t)

v [t, (t, )] , j 1,2,3.

dt

=

=

x

ξ

 

 

background image

 

31

S

UBSTANTIAL 

(

MATERIAL

, L

AGRANGE

, L

IE

DERIVATIVE 

CONTINUED

 

 

Since the arguments at both sides are the same, we have obtained the scalar field which can 
be written using “nabla” operator as 

 





convective

derivative

local

derivative

f

f

t

Df

Dt

⋅∇

=

+

v

or in the index notation (summation convention is assumed) 

 

j

j

Df

f

f

v

Dt

t

x

=

+

 

▶ The first term in the right-hand side of the above definition is called a 

local derivative

It “measures” the rate of change of the field 

f

 due to its explicit time dependence at a 

fixed  space  location.  It 

1

2

3

f

f ( )

f (x , x , x )

=

=

x

  we  say  that 

f

  is  stationary  (or  steady) 

and the local derivative 

f / t

∂ ∂

 vanishes identically.  

▶ The  second  term  is  called  the 

convective  derivative

  of  the  field 

f

.  It  is  generally 

nonzero  even  if  the  field  f  is  stationary.  It  measures  the  rate  of  change  due  to  the 
movement of the observer. This part of the substantial derivative vanishes identically if 
the field f is uniform in space, i.e. its instantaneous value at each point is the same. 

background image

 

32

A

CCELERATION

 

 

Consider the acceleration of fluid elements in Eulerian description. In order to calculate the 
acceleration we need to differentiate the velocity along the trajectories of fluid elements
We have 

j

j

i

i

i

i

i

j

j

Dv

v

v

D

(t, )

v

v

Dt

Dt

t

x

t

x

=

=

=

+

=

+

v

v

v

a

x

e

e

 

 
We see that the acceleration is the vector field. In popular notation, the convective part of 
the acceleration
 is written using the formal inner product of the velocity field and nabla 
operator 

D

(t, )

(

)

Dt

t

=

=

+ ⋅∇

v

v

a

x

v

v

 

An alternative way of expressing the fluid acceleration is the Lamb-Gromeko form 

 

2

1

2

(t, )

( v )

t

=

+ ∇

+ ×

v

a

x

ω v

   

 

where 

v | |

=

v

 is the velocity magnitude and 

= ∇×

ω

v

 is the rotation of the velocity field 

called 

vorticity

.  

background image

 

33

A

CCELERATION 

CONTUNUED

 

 

Proof of the Lamb-Gromeko form 

 

We have (see Appendix) 

j

x

ijk

k

i

v

=∈

ω

e

 and 

2

i

i

v

v v

=

.  

Then 

j

j

k

k

k

ijk

i

j

i

j

i

i

j

j

i

j

i

j

i

i

2

1

1

2

2

v

v

v

v

(

)

v

x

x

v

v

v

v

v

v

v

v

x

x

x

x

v

v

( v v )

(

)

( v )

x

x

γ

γ

γ

βγ

β

βγ

β

β γ

γ

β

β

γ

β

γ

γ

β γ

β

γ

β

β

β

β

γ

β

γ

γ

β

β β

γ

β

ω

δ δ

δ δ

δ δ

δ δ

× =∈

=∈ ∈

=

=

=

=

=

=

= ⋅∇ −∇

ω v

e

e

e

e

e

e

v

v

 

 
Thus   

2

1

2

(

)

( v )

⋅∇ = ∇

+ ×

v

v

ω v

 

 
and the Lamb-Gromeko formula follows immediately.   

 

background image

 

34

R

EYNOLDS 

T

RANSPORT 

T

HEOREM

 

 

We will  prove  the  mathematical  result known  as  the 
Reynolds’  Transport  Theorem,  which  plays  the 
fundamental  role  in  derivation of differential  forms 
of  the  conservation  principles
  in 

Continuum 

Mechanics

 
Consider  any  sufficiently  regular  scalar  field 

f

f (t, )

=

x

. Consider the integral of f calculated over 

an arbitrary material volume 

Ω(t)

.

 

 

(t)

C(t)

f (t, )d

=

x

x

.      

 

We need to compute the time derivative    

(t)

d

C (t)

f (t, )d

dt

=

x

x

 

NOTE: This task is nontrivial since the integration domain is itself time dependent!  

 

x

1

,

ξ

1

x

3

,

ξ

3

x

2

,

ξ

2

0

ξ

x(t,

ξ)

t=0

t>0

0

(t)

background image

 

35

R

EYNOLDS 

T

RANSPORT 

T

HEOREM 

CONTINUED

 

 

To  calculate  the  derivative,  we  will  switch  from  Eulerian  variables 

1

2

3

[x , x , x ]

=

x

  to 

Lagrangian variables 

1

2

3

ξ = [ξ ξ ξ ]

. The integral 

C(t)

 can be written as 

 

0

0

0

(t)

C(t)

f (t, )d

f [t, (t, )]J(t, )d

f (t, ) J(t, )d

=

=

=

x

x

x

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

 
In the above formula we have used the composite function 

f

0

  

 

0

0

f

f (t, )

f [t, (t, )]

=

=

ξ

x

ξ

 
and also the Jacobi determinant (Jacobian) defined as  
 

1

1

1

1

2

3

2

2

2

1

2

3

3

3

3

1

2

3

x

x

x

x

x

x

x

x

x

J(t, )

det

(t, )

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

=

ξ

ξ

background image

 

36

R

EYNOLDS 

T

RANSPORT 

T

HEOREM 

– 

CONTINUED

 

 

Since  the  domain 

0

  is  time-independent  (it  is  actually  the  initial  form  of  the  material 

volume 

Ω(t)

 at the time 

t = 0

), we can move the differentiation operator under the sign of the 

integral and get  
 

0

0

0

0

0

0

f

d

J

C (t)

f (t, )J(t, )d

(t, )J(t, )d

f (t, )

(t, )d

dt

t

t

=

=

+

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

 

 
Note that time differentiation of the composite function 

f

0

 yields 

 

(

)

i

i

i

V (t, ) v [t, (t, )]

d

0

t

dt

t

x

t

i

t

f (t, )

f [t, (t, )]

f [t, (t, )]

f [t, (t, )]

x (t, )

f

f [t, (t, )]

=

=

=

=

+

=

=

+ ⋅∇

ξ

x

ξ

ξ

x

ξ

x

ξ

x

ξ

ξ

v

x

ξ





 

 
This part was easy! We need to calculate the time derivative of the Jacobian which has 
appeared in the second integral in the formula for 

C (t)

. This is much more complicated … . 

Basically, we have two methods. 
 

background image

 

37

Method A 

 

We write the Jacobian using the alternating symbol        

3

1

2

i

j

k

x

x

x

ijk

J(t, )

ξ ξ ξ

∂ ∂

∂ ∂ ∂

=∈

ξ

 

Note that partial derivatives with respect to time and Lagrangian variables commute, hence 

 

 

1

1

1

i

i

i

x

x

V

t

t

ξ

ξ

ξ

∂ ∂

∂ ∂

=

=

     ,     

2

2

2

j

j

j

x

x

V

t

t

ξ

ξ

ξ

∂ ∂

∂ ∂

=

=

     ,     

3

3

3

k

k

k

x

x

V

t

t

ξ

ξ

ξ

∂ ∂

=

=

 

 

The time derivative is 

 

                             

3

3

3

1

2

1

2

1

2

i

j

k

i

j

k

i

j

k

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

3

1

2

3

1

2

2

2

2

2

2

2

1

2

3

1

2

3

3

3

3

3

3

3

1

2

3

1

2

3

x

x

V

V

x

x

V

x

x

t

ijk

ijk

ijk

V

V

V

x

x

x

x

x

x

x

x

x

V

V

V

x

x

x

x

x

x

J

ξ ξ ξ

ξ ξ ξ

ξ ξ ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

∂ ∂

∂ ∂

∂ ∂

∂ ∂ ∂

∂ ∂ ∂

∂ ∂ ∂

=∈

+∈

+∈

=

=

+

+



3

2

2

2

1

2

3

3

3

3

1

2

3

j

ij

x

x

x

V

V

V

3

3

i

ij

i 1 j 1

cofactor (i, j) of

(

)

V

[cof ]

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

ξ

= =

=

=

∑∑

J

V

J







 

background image

 

38

 

Consider two square matrices 

A

 and 

B

, and also the product 

AB

T

. It means that 

 

ik

ij kj

ij kj

k

c

a b

a b

=

 
so we conclude that   
 

ii

ij ij

tr

c

a b

≡ =

C

   (trace of the matrix 

C

 
Moreover, from the construction of the inverse Jacobi matrix we have 
 

1

T

T

1

1

1

(cof )

(cof )

det

J

det

=

=

=

J

J

J

J J

J

J

 

 
Hence,  the  formula  for  the  time  derivative  of  the  Jacobi  determinant  can  be  written  as 
follows 

T

1

t

J(t, )

tr

(cof )

(t, )

J(t, ) tr

(t, )

ξ

ξ

=

∇ ⋅

=

∇ ⋅

ξ

V

J

ξ

ξ

V J

ξ

 

background image

 

39

Finally,  we  need  to  get  back  to  the  Eulerian  variables.  To  this  end,  we  use  the  relation 
between Lagrangian and Eulerian definitions of the fluid velocity 

 

Lagrange

Euler

(t, )

[t, (t, )]

=

V

ξ

v

x

ξ









 

 

and calculate the gradient operator with respect to the Lagrangian variables 

 

k

j

k

j

3

x

x

i

i

ij

k 1

(t, )

V (t, )

v [t, (t, )]

(t, )

ξ

ξ

ξ

=

=

=

V

ξ

ξ

x

ξ

ξ

 

The above formula can be written shortly as 

 

(t, )

v[t, (t, )] (t, )

ξ

= ∇

V

ξ

x

ξ

J

ξ

 

 

Thus,  the time derivative of the Jacobian can be re-written in the following form   

 

(

)

t

J(t, )

J(t, ) tr

[t, (t, )]

=

ξ

ξ

v

x

ξ

 

Taking into account that          

i

x

i

tr

v

div

∇ =

=

≡ ∇⋅

v

v

v

 

 
we finally get the formula

            

t

J(t, )

J(t, )

[t, (t, )]

=

∇⋅

ξ

ξ

v

x

ξ

 

background image

 

40

Method B

  

 

This  method  is  based  upon  the  group  property  of  the  transformation  of  the  material 
volume
  at  initial  time 

t = 0

  to  the  volume  (consisting  of  the  same  fluid  particles)  at  some 

later time 

t > 0

. We can write  

t s

[ t

(s,

]

+

=

x(

ξ)

x , x

ξ)

  or  

 

1

2

3

1

1

2

3

2

1

2

3

3

1

2

3

i

i

x t s

,

,

x [ t x (s, ,

,

,x (s, ,

,

,x (s, ,

,

]

ξ ξ ξ

ξ ξ ξ

ξ ξ ξ

ξ ξ ξ

+

=

(

,

)

,

)

)

)

 ,  i = 1,2,3. 

 
Let’s differentiate the above formula with respect to the Lagrangian coordinate 

ξ

j

 

i

i

k

j

k

j

x

x

x

(t s, )

[t, (s, )]

(s, )

ξ

ξ

ξ

+

=

ξ

x

ξ

ξ

 
which can also be written as 
 

ij

ik

kj

[ ] (t s, ) [ ] [t, (s, )] [ ] (s, )

+

=

J

ξ

J

x

ξ

J

ξ

 
which is equivalent to 

(t s, )

[t, (s, )] (s, )

+

=

J

ξ

J

x

ξ

J

ξ

 

background image

 

41

Then, from the fundamental property of matrix determinant, we have 
 

J(t s, )

J[t, (s, )] J(s, )

+

=

ξ

x

ξ

ξ

 
We need to calculate the derivative 
 

t

0

t

0

t

0

J(t

t, ) J(t, )

J(t, ) J[ t, (t, )] J(t, )

J(t, ) : lim

lim

t

t

t

J[ t, (t, )] 1

J(t, ) lim

t

+

=

=

=

=

ξ

ξ

ξ

x

ξ

ξ

ξ

x

ξ

ξ

 

 
Note  that 

J[ t, (t, )]

x

ξ

  is  the  Jacobian  of  the  “nearly  identical”  transformation 

(t, )

(t

t, )

+

x

ξ

x

ξ

֏

, which can be written shortly as 

t

( )

Ψ

x

x

֏

.  

 
The explicit form of this transformation is  
 

2

t

1

2

3

i

i

i

[

( )]

x

v (t,x ,x ,x ) t O( t )

= +

+

x

Ψ

   ,  i = 1, 2, 3, 

 

 
 

background image

 

42

This,  the Jacobi matrix can be calculated as follows 

 

2

i

t

ij

i

ij

j

j

v

[ ] ( t, )

[

( )]

(t, ) t O( t )

x

x

=

= +

+

J

x

x

x

Ψ

δ

  

 

or simply                        

2

( t, )

(t, ) t O( t )

= + ∇

+

J

x

I

v

x

.  

 
Now, it is easy to show (

do it!

) that 

 

 

di

2

2

3

1

2

1

2

3

v

v

v

v

J( t, ) 1

(t, ) t O( t ) 1

(t, ) t O( t )

x

x

x

= +

+

+

+

= + ∇⋅

+

v

x

x

v

x



 

 

Thus, we get                           

t

0

J( t, ) 1

lim

(t, )

t

− = ∇⋅

x

v

x

  

 

and – after returning back to the Lagrangian variables - the formula for the time derivative 
of the Jacobian is obtained  
 

( )

J(t, ) : J(t, )

[t, (t, )]

t

=

∇⋅

ξ

ξ

v

x

ξ

background image

 

43

R

EYNOLDS 

T

RANSPORT 

T

HEOREM 

– 

CONTINUED

 

 
The time derivative  

C (t)

 can be now evaluated as follows 

 

(

)

(

)



0

t

t

t

(t)

(t)

n

t

t

(t)

(t)

(

GGO

normal

Theorem

vel

t)

ocity

(t)

C (t)

f

f

f

[t, (t, )]J(t, )d

f

f

f

(t, )d

f

(f ) (t, )d

f d

(f ) d

f d

f v

ds

=

=

+ ⋅∇ + ∇⋅

=

+ ⋅∇ + ∇⋅

=

+∇⋅

=

=

+

∇⋅

=

+

v n

v

v

x

ξ

ξ

ξ

v

v

x

x

v

x

x

x

v

x

x

 

 
Note that the last equality has been obtained by the use of the Green-Gauss-Ostrogradsky 
(GGO)  Theorem
.  We  see  that  the  rate  of  change  of 

C(t)

  is  the  sum  of  two  components

The  first  component  appears  due  to  the  local  time  variation  of  the  integrated  function 

f

 

and  it  appears  even  if  the  fluid  is  in  rest  (no  motion).  In  contrast,  the  second  term  is 
entirely  due  to  the  fluid  motion
  and  it  assumes  nonzero  value  even  if  the  field  f  is 
stationary (i.e. 

t

f

0

). 

 

background image

 

44

P

P

R

R

I

I

N

N

C

C

I

I

P

P

L

L

E

E

 

 

O

O

F

F

 

 

M

M

A

A

S

S

S

S

 

 

C

C

O

O

N

N

S

S

E

E

R

R

V

V

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

 

 

D

ENSITY OF FLUID

 

 

 

We define (rather informally) the fluid density as 
 

vol(

)

0

m(

)

lim

vol(

)

ρ

=

 

 
Thus, the mass of the fluid in the material volume 

Ω(t)

 can be expressed as 

 

(t)

(t)

m

:

(t, )d

=

x

x

ρ

 

 
NOTE:  The  concept  of  a  density  of  a  continuous  medium  can  be  introduce  formally  in 
terms of the measure theory (the Radon-Nikodym Theorem, see for instance “Probability 
and Measure” by Billingsley, also in Polish). 

background image

 

45

P

RINCIPLE OF MASS CONSERVATION

 

 

The  mass  of  the  fluid  in  an  arbitrary  material  volume 

Ω(t)

  does  not  change  in  time  (

Ω(t)

  

contains permanently the same fluid elements).  
 
Thus, we can write                                   

d

dt

(t)

m

0

=

 

 

From Reynolds’ Transport Theorem we get          

 

Re ynolds's

Trans

d

dt

t

(t)

(t)

port Th.

0

d

(

) d

ρ

ρ

ρ

=

=

+ ∇⋅

x

v

x

 

 

Since  the  volume 

Ω(t)

  is  arbitrary  and  the  motion  is  assumed  continuous,  the  upper 

equality can hold if and only of the integrand vanishes identically.  
 
This way we get the differential equation of mass conservation                           

 

t

(

) 0

ρ

ρ

+∇⋅

=

v

 

 
 

 

background image

 

46

P

RINCIPLE OF MASS CONSERVATION 

– 

CONT

 

Equivalent forms are             

t

D

Dt

0

ρ

ρ

ρ ρ

+ ⋅∇ + ∇⋅ =

v

v







   

   



full

derivative

D

Dt

0

ρ

ρ

+ ∇⋅ =

v

 

 

For  an  incompressible  fluid   

const

ρ

=

  and  the  above  equation  reduces  to  the  continuity 

equation 

 

 

div

0

∇⋅ ≡

=

v

v

 

which  describes  the  geometric  constrain  imposed  on  the  velocity  field  (volume 
conservation).  
 
In Lagrangian description, the continuity equations is equivalent to the following condition 
(why?) for the Jacobi determinant 
 

t

J(t, )

0

=

ξ

 

 
and since 

J(0, ) 1

=

ξ

 we have 

J(t, ) 1

=

ξ

 for all times 

t

0

background image

 

47

T

IME RATE OF CHANGE OF AN EXTENSIVE QUANTITY

 

 

Consider  an  extensive  physical  quantity,  characterized  by  its  mass-specific  density 

H

H(t, )

=

x

.  The  amount  of  this  quantity  contained  in  the  material  volume 

Ω(t)

  is 

expressed by the following volume integral 

 

(t)

h(t)

H d

ρ

=

x

 

 

The  examples  are:  the  Cartesian  components  of  the  linear momentum,  kinetic  and  internal 
energy. We need to know how to evaluate the time derivative of such integrals.  
 
Using the Reynolds’ theorem and the differential equation of mass conservation we can 
write 

 

(

)

Re ynolds

Trans. Th.

d

d

dt

dt

t

(t)

(t)

D

Dt

t

t

(t)

(t)

( t)

DH

0!

Dt

h(t)

H d

[ ( H)

( H )]d

H

(

) dx

H

H d

H d

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

=

=

=

=

+ ∇⋅

=

=

+ ∇⋅

+

+ ⋅∇

=

x

v

x

v

v

x

x





 

background image

 

48

DEFORMATION  AND  STRESS 

 

D

EFORMATION

 

 

Consider two fluid elements which are located at close points A and B at the time instant 

t

We ask what happens to the relative position of these two fluid elements during 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,

)∆t O(∆t )

=

+

+

x

x

v

x

 

 

Since    

B

A

=

+

x

x

ρ

  then analogously we have 

 

2

B

A

A

(t,

)∆t O(∆t )

=

+ +

+

+

x

x

ρ v

x

ρ

 
where the vector 

ρ

 describes the relative position of 

the fluid elements at the time 

t

.  

 
 

t

t+

t

x

1

x

3

x

2

0

A

A'

B

B'

ρ

=x

B

-x

A

ρ

'=x

B'

-x

A'

ρ

ρ

'

background image

 

49

D

EFORMATION 

CONTINUED

 

 
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

ρ

ρ

∆ ∆

 

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

ρ

ρ

 
We  have  introduced  the  matrix  (actually  it  represents  the  tensor)  called  the  velocity 
gradient

 

j

x

i

ij

v

=

v

 

background image

 

50

D

EFORMATION 

– 

CONTINUED

 

 
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

 

51

D

EFORMATION 

– 

CONTINUED

 

 

To this end, we note that    

1

2

ij

ijk

k

r

ω

= − ∈

,  where 

k

ω

 are the Cartesian components of the 

vorticity vector    

k

k

ijk

i

j

v

rot

x

ω

=

= ∈

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

γ

γ

βγ

β γ

γ

β

β

β

δ δ

δ δ

− ∈ ∈

= −

= −

=

=

 

 

Thus, we can write                   

1

1

1

2

2

2

ij

j

i

ijk

j

k

i

r

ρ

ρ ω

=

= − ∈

= − × =

×

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

 

52

D

EFORMATION 

– 

CONTINUED

 

 

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 now expressed by the formula  
 





deformation

rigid rotation

d

1

2

dt

=

+

=

+

×

ρ

Dρ

ρ

Dρ

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

δ

=

⋅ = ∇⋅

=

D

D

D

I

v I

D

 , 

Note that  

 

 

 

SPH

1

tr

(

) tr

(

)

div

3

= ∇⋅ ⋅

= ∇⋅ ≡

D

v

I

v

v

background image

 

53

D

EFORMATION 

– 

CONTINUED

 

 

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

δ

      

 

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

 

54

D

EFORMATION 

– 

CONTINUED

 

 

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  (wrt  the  origin)  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

 

55

D

EFORMATION 

– 

CONTINUED

 

 

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 )

α γ

γ α

=

=

=

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)





+

= −

+

+

=

+ +

α ∆

γ ∆

γ ∆

α ∆

 

 

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'

{

{

α∆

t L

2

α∆

t L

1

(t+

t)

{

{

γ∆

t L

2

γ∆

t L

1

O

x

1

x

2

A

B

C

(t)

background image

 

56

D

EFORMATION 

– 

CONTINUED

 

 

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 )

α ∆

γ ∆

α ∆

γ ∆

γ ∆

α ∆

+

=

=

=

+

=

+

 
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)

background image

 

57

S

TRESS TENSOR

 

 

According to 

Cauchy hypothesis

, the surface (or interface) reaction force acting between 

two adjacent portions of a fluid can be characterized by its surface vector density called the 
stress.  
 
Thus,  for  an  infinitesimal  piece 

dA

  of  the  interface 

1

2

∂ ∩∂

, we have (see figure) 

 

              

d

dA

=

F

σ

      and     

2

1

1

2

dA

∂ ∩∂

=

F

σ

 

 

The  stress  vector  depends  on  the  point 

x

  and  space 

orientation of the surface element 

dA

 or – equivalently – 

of the unit vector 

n

 perpendicular (normal) to 

dA

 at the 

point 

x

.  

 
From the 3

rd

 principle of Newton’s dynamics (action-reaction principle) we have 

 

( , )

( ,

)

= −

σ x n

σ x n

 

x

1

x

3

x

2

0

1

2

dA

n

d=  

 

dA

background image

 

58

S

TRESS TENSOR 

CONTINUED

 

 
Consider small tetrahedron as depicted in the figure below. 

 
The  front  face 

ABC

  belongs  to  the  plane 

which is describes by the following formula 

 

             

j

j

( , )

n x

h

=

n x

   ,

   h 

– small number. 

 

The  areas  of  the  faces  of  the  tetrahedron  are  S, 
S

1

,  S

2

  and  S

3

  for 

ABC

OBC

AOC

  and 

ABO

, respectively. Obviously, 

2

S

O(h )

  

 
Moreover,  the  following  relations  hold  for 
j = 1,2,3: 
 
         

j

j

j

j

S

Scos[ ( , )] S ( , )

Sn

=

= ⋅

=

n e

n e

 

 
 

                                      The volume of the tetrahedron is      

3

V

O(h )

 

x

1

x

3

x

2

0

α

n=[n

1

,n

2

,n

3

]

-e

1

-e

2

-e

3

A

B

C

D

background image

 

59

S

TRESS TENSOR 

CONTINUED

 

 
The  momentum  principle  can  be  written  for  the  fluid  contained  inside  the  tetrahedron 
volume as follows 

 





time derivative

of the momentum

total surface

total volume

fo

vol

surf

rce

force

d

d

dt

ρ

=

+

v x

F

F



 

 
We need to calculate the total surface force 

surf

F

.  

We have: 

 

on 

ABC

:              

( , )

( , ) O(h)

=

+

σ x n

σ 0 n

              

                                

ABC

3

surf

S ( , ) O(h )

=

+

F

σ 0 n

 

 

on 

OBC

:  

 
 

1

1

1

( ,

)

( , )

( , ) O(h)

= −

= −

+

σ x

e

σ x e

σ 0 e

 

 

OBC

3

3

1

1

1

1

surf

S

( , ) O(h )

Sn

( , ) O(h )

= −

+

= −

+

F

σ 0 e

σ 0 e

 

 

x

1

x

3

x

2

0

α

n=[n

1

,n

2

,n

3

]

-e

1

-e

2

-e

3

A

B

C

D

background image

 

60

S

TRESS TENSOR 

– 

CONTINUED

 

 

on 

AOC

:                      

2

2

2

( ,

)

( ,

)

( ,

) O(h)

= −

= −

+

σ x

e

σ x e

σ 0 e

     

                                        

AOC

3

3

2

2

2

2

surf

S

( ,

) O(h )

Sn

( ,

) O(h )

= −

+

= −

+

F

σ 0 e

σ 0 e

 

 

 on 

AOB

:                     

3

3

3

( ,

)

( ,

)

( ,

) O(h)

= −

= −

+

σ x

e

σ x e

σ 0 e

                     

                                       

AOB

3

3

3

3

3

3

surf

S

( ,

) O(h )

Sn

( ,

) O(h )

= −

+

= −

+

F

σ 0 e

σ 0 e

 

 

When the above formulas are inserted to the equation of 
motion we get 

 



3

2

3

O(h )

O(h )

O(h )

3

vol

j

j

d

d

S[ ( , ) n

( , ) ] O(h )

dt

ρ

=

+

+

v x

F

σ 0 n

σ 0 e







 

 

When 

h

0

 the above equation reduces to  

             

j

j

( , ) n

( , ) 0

=

σ 0 n

σ 0 e

 

In general, we can write 

 

j

j

(t, , )

n

(t, , )

=

σ

x n

σ

x e

  (summation !) 

x

1

x

3

x

2

0

α

n=[n

1

,n

2

,n

3

]

-e

1

-e

2

-e

3

A

B

C

D

background image

 

61

S

TRESS TENSOR 

– 

CONTINUED

 

  

In  the  planes  oriented  perpendicularly  to  the  vectors 

e

1

e

2

  or 

e

3

,

  the  stress  vector  can  be 

written as 

 

j

ij

i

(t, , )

(t, )

=

σ

x e

x e

σ

 

 

This,  the general formula for the stress vector takes the form 
 

j

j

ij

j i

(t, , )

n

(t, , )

(t, )n

=

=

σ

x n

σ

x e

x

e

σ

 

 
We define the stress tensor 

S

 represented by the square matrix 

Σ

 such that 

[ ]

ij

ij

σ

=

Σ

.  

 
The stress tensor depends on time and space coordinates, i.e. what we actually have is the 
tensor field 

(t, )

=

x

S

S

 
The  stress  tensor 

S

  can  be  viewed  as  the  linear  mapping  (parameterized  by 

t

  and 

x

defined as 

 

3

3

j j

ij

j i

: E

w

w

E

σ

∋ =

w

e

e

֏

S

 

background image

 

62

S

TRESS TENSOR 

– 

CONTINUED

 

 

In particular   

 

 

 

       

ij

j i

( )

n

=

=

n

e

σ

σ

S

 

 

i.e., the action of  

S

 on the normal versor 

n

 at some point of the fluid surface yields 

the stress vector  

σ

  at this point

 

Using canonical identification of 

E

3

 and 

R

3

 we can simply write  

 

=

σ Σn

  

 

It  is  often useful  to  calculate  the  normal  and  tangent  stress  components  at the  point  of 
some surface

 

Normal component is equal         

inner (scal

n

ar)

product

(

)

( ,

)

= ⋅

n

σ

Σn n

Σn





 

Tangent component can be expressed as  

 

( )

i

n

m

m

ij

j i

km k

i i

ij

j

km k

i

i

n

(

n n )n

[

n

(

n n ) n ]

= −

=

=

σ

σ

σ

n

e

e

e



τ

τ

σ

σ

σ

σ

σ

 

or, equivalently (verify!) as                       

(

)

= × ×

σ

n

σ n

τ

 

background image

 

63

P

P

R

R

I

I

N

N

C

C

I

I

P

P

L

L

E

E

 

 

O

O

F

F

 

 

C

C

O

O

N

N

S

S

E

E

R

R

V

V

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

O

O

F

F

 

 

L

L

I

I

N

N

E

E

A

A

R

R

 

 

M

M

O

O

M

M

E

E

N

N

T

T

U

U

M

M

 

 

 

 

 

2

ND

 

N

EWTON

L

AW FOR 

C

ONTINUUM

 

 

Consider the material volume 

(t)

. The Principle of Momentum Conservation takes the 

form 

 

linear momentum

volume force

surface

(t)

(t)

orc

)

e

(t

f

d

dt

d

d

dS

=

+

v x

f x

Σn











ρ

ρ

 

 

In the index notation:                 

d

dt

i

i

ij

j

(t)

(t)

(t)

v d

f d

n dS

=

+

x

x

ρ

ρ

σ

 

 
The formula for time derivative of the volume integral of an extensive quantity gives 
 

d

dt

(t)

(t)

D

d

d

Dt

=

v

v x

x

ρ

ρ

 

 
 

background image

 

64

2

ND

 

N

EWTON

L

AW FOR 

C

ONTINUUM 

– 

CONT

 
The next step is to transform (using the GGO integral theorem) the surface integral to 
the volume integral
 
 

      

GGO

ij

ij

j

j

(t)

(t)

n dS

d

x

=

x

σ

σ

    

 
or in the matrix-vector notation     

              

 

GGO

(t)

(t)

dS

Div d

=

Σn

Σ x

 

 
Finally, the integral form of the momentum conservation can be re-written as  

 

(t)

D

Div

d

0

Dt

=

v

Σ

f

x

ρ

ρ

 

 

 

background image

 

65

2

ND

 

N

EWTON

L

AW FOR 

C

ONTINUUM 

– 

CONT

 

Since  the  choice  of  the  volume 

(t)

  is  arbitrary,  then  for  the  smooth  motion  the 

differential equation follows 

 

D

Div

Dt

=

+

v

Σ

f

ρ

ρ

     

or in the index notation   

ij

i

i

j

Dv

f

Dt

x

=

+

σ

ρ

ρ

 

 

Writing the time derivative in the extended form, the above equation takes the form of 
 

( )

Div

t

∂ + ⋅∇ =

+

v

v

v

Σ

f

ρ

ρ

     

or  

ij

i

i

j

i

j

j

v

v

v

f

t

x

x

+

=

+

σ

ρ

ρ

 

background image

 

66

S

S

Y

Y

M

M

M

M

E

E

T

T

R

R

Y

Y

 

 

O

O

F

F

 

 

T

T

H

H

E

E

 

 

S

S

T

T

R

R

E

E

S

S

S

S

 

 

T

T

E

E

N

N

S

S

O

O

R

R

 

 

Σ

Σ

 

 

 

We  will  accept  the  following  definition  of  the  angular  momentum  (wrt  the  origin  of  the 
coordinate system) of the fluid enclosed in the material volume 

(t)

 

 

(t)

d

=

×

k

r

v x

ρ

 

 

Note:

  the  above  formula  is  not  the  most  general  one.  There  exist  fluid  models  (called  micropolar 

fluids)  where  the  total  angular  momentum  contains  additional  contribution  due  to  internal  rotational 
degrees of freedom of the fluid particles. 

 

 Let’s calculate the time derivative of the angular momentum 

k

 

(t)

(t)

( )

d

dt

t

d

D

d

D

D

(

)d

d

d

dt

Dt

dt

Dt

Dt

ρ

ρ

ρ

=

=

×

=

× + ×

=

×

r

v

k

v

v

r v

x

r v r

x

r

x

 

 

From general principles of mechanics we know that                  

d

dt

=

k

M

 

The  symbol 

M

  denotes  the  total  moment  of  external  forces  (a  torque)  acting  of  the 

material volume 

(t)

 

background image

 

67

The total moment 

M

 is defined as follows 

 

(t)

(t)

d

dS

ρ

=

×

+

×

M

r

f x

Σn

 

 
Then, the equation for the angular momentum can be written  
   

(t)

(t)

(

)d

dS

ρ

×

=

×

r

a f

x

Σn

   ,       

 

where    

D

Dt

=

v

a

  denotes fluid acceleration

 
In the index notation, we have 
 

m

ijk

j

k

k

ijk

j

km

ijk

j

km

m

(t)

(t)

(

G

t)

G O

x (a

f )d

x

n dS

(

x

)d

x

ρ

σ

σ

=

=

x

x

 

 
The above equation can be transformed as follows 

 

background image

 

68

ijk

j

k

k

ijk

j

km

m

(t)

km

ijk

j

k

k

j

jm

km

m

(t)

km

ijk

j

k

k

ijk

kj

0 Eq. of

ijk

kj

m

(t)

(t)

(

motion !!!

t)

0

x (a

f )

(x

) d

x

x (a

f ) x

d

x

x ( a

f

) d

d

d

x

ρ

σ

σ

ρ

δ σ

σ

ρ

σ

σ

=

−∈

=

=

=

=

− −

= −

x

x

x

x

x





 

 

It  follows  that   

0

kj

ijk

=

σ

.    Using  the  properties  of  the  alternating  symbol  (see 

Mathematical Preliminaries), we conclude that 
 

32

23

32

23

1jk

kj

13

31

13

31

2 jk

kj

12

21

12

21

3 jk

kj

0

0

0

0

0

0

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

=

=

=

=

=

=

=

=

=

 

 

Thus  

ij

ji

σ σ

=

  or, equivalently, 

T

=

Σ

Σ

, i.e., the 

stress tensor is a symmetric tensor

 

background image

 

69

C

ONCLUSION

 

The principles of conservation of linear and angular momentum imply the symmetry of the 

stress tensor.  

 

Thus,  the  following  statement  follows:  if  the  conservation  of  linear  momentum 

and  symmetry  of  the  stress  tensor  are  postulated,  then  the  conservation  of 

angular momentum follows automatically.  

 

Yet  another  way:  once  the  symmetry  of  the  stress  tensor  is  ensured,  the  fluid 

dynamics follows from mass conservation and linear momentum principles

 
 
 
 

background image

 

70

C

C

O

O

N

N

S

S

T

T

I

I

T

T

U

U

T

T

I

I

V

V

E

E

 

 

 

 

R

R

E

E

L

L

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

S

S

 

 

 

G

ENERAL CONSIDERATIONS

 

 

The constitutive relations for the (simple) fluids is the relations between stress tensor Σ 
and the deformation rate tensor D
. It should be postulated in such form so that the stress 
tensor is automatically symmetric
. Let’s remind two facts: 

 

• 

The velocity gradient can be decomposed into two parts: the symmetric part 

D

 called 

the deformation rate tensor and the skew-symmetric part 

R

 called the (rigid) rotation 

tensor

∇ = +

v

D R

 

 

• 

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

 

where                                        

SPH

tr

1

1

(

)

3

3

=

⋅ = ∇⋅

D

D

I

v I

    

and                   

j

i

k

DEV

DEV ij

ij

j

i

k

v

v

v

1

1

1

div

(

)

3

2

x

x

3 x

δ

= −

=

+

D

D

v I

D

  

background image

 

71

The  general  constitutive  relation  for  a  (simple)  fluid  can  be  written  in  the  form  of  the 
matrix “polynomial”  

 

2

3

0

0

1

2

3

( )

c

c

c

c

...

=

=

+

+

+

+

+

Σ

D

Σ

I

D

D

D

P

 

 

where the coefficients are the function of 3 invariants of the tensor 

D

, i.e.  

 

1

2

3

k

k

c

c [ I ( ),I ( ),I ( )]

=

D

D

D

 

Consider the characteristic polynomial of the tensor 

D

       

 

3

2

1

2

3

p ( )

det[

]

I

I

I

λ

λ

λ

λ

λ

=

= − +

+

D

D

I

 

The  Cayley-Hamilton  Theorem  states  that  the  matrix  (or  tensor)  satisfies  its  own 
characteristic polynomial meaning that 

 

3

2

1

2

3

p ( )

I

I

I

= − +

+ =

D

D

D

D

D

0

 

 

Thus,  the  3

rd

  power  of 

D

  (and  automatically  all  higher  powers)  can  be  expressed  as  a 

linear combinations of 

I

D

 and 

D

2

.  

 

Hence, the most general polynomial constitutive relation is given by the 2

nd

 order formula 

 

2

0

0

1

2

( )

c

c

c

=

=

+

+

+

Σ

D

Σ

I

D

D

P

 

background image

 

72

N

EWTONIAN FLUIDS

 

 

The behavior of many fluids (water, air, others) can be described quite accurately by 
the linear relation. Such fluids are called 

Newtonian fluids

 

For Newtonian fluids we assume that: 

▶ 

0

c

 is a linear function of the invariant 

I

1

,

 

▶ 

1

c

 is a constant,  

▶ 

2

c

0

=

 

If  there  is  no  motion  we  have  the  Pascal  Law:  pressure  in  any  direction  is  the  same.  It 
means that the matrix 

0

Σ

 should correspond to a spherical tensor and  

 

0

0

p

p

= −

= −

n

I

Σ

Σ

 

 

The constitutive relation for the Newtonian fluids can be written as follows  
 







1

1

0

0

0

I ( )

2

DE

c

V

3

c

p

(

)

2

p

(

)(

)

2

ζ

µ

ζ

µ

µ

∇⋅

= − ⋅ +

⋅ +

= − +

∇⋅

+

D

Σ

Σ

v

Σ

I

I

D

I

v I

D









 

where 

µ

  - (shear) viscosity (the physical unit in SI is kg/m·s) 

ζ

  -  bulk viscosity (the same unit as 

µ

) ; usually 

ζ << µ

 

and

 

can be assumed zero

.

 

 

background image

 

73

N

EWTONIAN FLUIDS 

CONTINUED

 

 

The constitutive relation written can be written in the index notations  
 

j

k

i

2

3

ij

ij

k

j

i

v

v

v

p (

)

x

x

x

σ

ζ

µ

δ µ

= − + −

+

+

 

 
For an incompressible fluid  we have 
 

j

j

v

div

0

x

∇⋅ ≡

=

v

v

 

 
and the constitutive relation reduces to the simpler form 
 

j

i

ij

ij

j

i

v

v

p

x

x

σ

δ µ

= −

+

+

 

background image

 

74

N

N

A

A

V

V

I

I

E

E

R

R

-

-

S

S

T

T

O

O

K

K

E

E

S

S

 

 

E

E

Q

Q

U

U

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

 

Let  us  derive  the  equation  of  motion  of  Newtonian  fluids.  Earlier,  we  have  derived  the 
general form from the 2

nd

 Principle of Newton’s dynamics 

 

ij

i

i

j

Dv

f

Dt

x

σ

ρ

ρ

=

+

 

 
We have to calculate the explicit form of the first term in the right-hand side of the above 
equation: 

 

ij

j

k

i

2

3

ij

ij

j

j

j

k

j

j

i

2

j

k

i

2

3

i

i

k

j

j

i

j

2

k

i

1

3

i

i

k

j

j

v

v

v

p

(

)

x

x

x

x

x

x

x

v

v

v

p

(

)

x

x

x

x x

x

x

v

v

p

(

)

x

x

x

x x

σ

δ

ζ

µ

δ µ

ζ

µ

µ

µ

ζ

µ

µ

= −

+

+

+

=

= −

+

+

+

=

∂ ∂

= −

+

+

+

∂ ∂

 

background image

 

75

After the obtained formula is inserted into the equation of motion, we get 

 

grad(div

1

3

)

D

p

(

)

(

)

Dt

ρ

µ∆

ζ

µ

ρ

= −∇ +

+ +

∇ ∇⋅ +

v

v

v

v

f





 

or, writing the fluid acceleration in the full form, we obtain the 

N

N

a

a

v

v

i

i

e

e

r

r

-

-

S

S

t

t

o

o

k

k

e

e

s

s

 

 

e

e

q

q

u

u

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

1

3

(

)

p

(

) (

)

t

ρ

µ∆

ζ

µ

ρ

∂ + ⋅∇ = −∇ +

+ +

∇ ∇⋅ +

v

v

v

v

v

f

 

For an incompressible fluid the N-S equations simplifies to 

 

(

)

p

t

ρ

µ∆

ρ

∂ + ⋅∇ = −∇ +

+

v

v

v

v

f

 

which is often written in the form 
 

1

(

)

p

t

ν ∆

ρ

∂ + ⋅∇ = − ∇ +

+

v

v

v

v f

 

where 

/

ν µ ρ

=

 is called the kinematic viscosity of fluid (the SI unit is m

2

/s).  

background image

 

76

 

The index form of the “incompressible” Navier-Stokes equation is 
 

2

i

i

i

j

i

j

i

j

j

v

v

v

p

1

v

f

t

x

x

x x

ν

ρ

+

= −

+

+

∂ ∂

 
The  Navier-Stokes  equation  is  the  vector  equation  (or  three  scalar  equations)  with  four 
unknown fields
:  
▶ three Cartesian components of the velocity field and  
▶ the pressure field.  
 
For  an  incompressible  fluid  it  is  sufficient  to  add  the  continuity  equation 

0

∇⋅ =

v

  and 

appropriate  initial  and  boundary  conditions  to  obtain  a  solvable  mathematical  problem. 
However, “solvable” does not mean “easy to solve”.  

 

We need more when the fluid is compressible, as we have one more unknown – the 
density 

ρ

.   

 
Additional complication comes from the fact that viscosity is temperature dependent
 

background image

 

77

The  boundary  condition  at  solid  and  impermeable  surfaces  (of  the  immersed  bodies)  is 
formulated as  

 

=

v

u

  at  

    ,    

u

 - velocity of the boundary points 

 

The  physical  meaning  of  the  this  conditions  is  that  viscous  fluid  adheres  to  a  solid 
surface
, i.e. the velocities of the fluid and of the surface are equal (the no-slip condition) 

 

For the future study … 

 

Another  type  of  the  boundary  conditions  that  may  be  posed  for  incompressible  flow  are 

inlet/outlet  conditions  (for  internal  flows  like  flows  in  ducts  or  pipe  systems)  and  far-field 
conditions
  (for  flow  in  “open”  space  like  a  flow  around  an  airplane).  Detailed  discussion  of  the 
possible  forms  of  such  conditions  is  well  beyond  the  scope  of  this  introductory  course.  Let  us  only 
mention  that  the  standard  far–field  condition  is  typically  some  approximation  of  the  asymptotic 
condition   

lim

→∞

=

r

v

v

, where 

v

 denotes the velocity in the free stream far away from the immersed 

body.  The  situation  is  more  complicated  in  the  case  of  compressible  flows.  We  have  already 
mentioned that the momentum and mass conservation equations are not sufficient to describe uniquely 
the flow of such fluid. Indeed, we have an additional unknown (density or temperature). We need also 
the energy equation which will be derived later on. Also the boundary treatment is more complicated 
and  usually  quite  different  than for  the  incompressible  flow.  Again,  more  detailed  discussion  of  this 
problems  will  be  presented  in  more  advanced  courses  of  Fluid  Mechanics  and  Computational  Fluid 
Dynamics (CFD). See “Fluid Mechanics” by Kundu & Cohen (Elsevier Academic Press) 

background image

 

78

E

E

U

U

L

L

E

E

R

R

 

 

E

E

Q

Q

U

U

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

I

I

T

T

S

S

 

 

F

F

I

I

R

R

S

S

T

T

 

 

I

I

N

N

T

T

E

E

G

G

R

R

A

A

L

L

S

S

 

 

 

T

HE 

E

ULER 

E

QUATION

 

 
The  Euler  equation  are  the  special  case  of  the  Navier-Stokes  equation  for  a  hypothetic 
inviscid (i.e. possessing zero viscosity) fluid

 

(

)

p

t

ρ

ρ

∂ + ⋅∇ = −∇ +

v

v

v

f

 

 

Using the Lamb-Gromeko form of the convective acceleration  
 

( )

2

1

2

(

)

v

⋅∇ = ∇

+ ×

v

v

ω v

 

 
we can write the Euler equation as follows 
 

( )

2

1

2

1

v

p

t

ρ

∂ +∇

+ × = − ∇ +

v

ω v

f

 

 

 

background image

 

79

Let us now make the following assumptions: 

 

(1) Volume force field is potential, i.e. there exist such scalar field  

Φ

f

  that   

f

Φ

= ∇

f

 

(2) Fluid is barotropic, i.e. its pressure is the function of density (or vice-versa)  

p

p( )

ρ

=

 

Define the following pressure function 

P

:               

1

P( ) :

p ( )d

ρ

ρ ρ

ρ

=

 

Then   

i

i

i

1

1

P[ ( )]

p [ ( )]

p[ ( )]

x

( )

x

( ) x

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

=

=

x

x

x

x

x

       

     

1

P

p

ρ

∇ = ∇

 

 
Note that for the incompressible fluid (ρ constant) we simply have 

P

p /

ρ

=

.  

 
A  less  trivial  example  is  an  isentropic  motion  of  an  ideal  gas  where 

p

κ

ρ

,  where 

P

V

c / c

κ

=

. Then  (

check yourself!

 

P

p

P

c T

i

(

1)

κ

κ

ρ

=

=

=

   (specific enthalpy) 

 

background image

 

80

B

ERNOULLI 

E

QUATION

 

 

Assume that the flow is stationary, i.e. for any physical quantity H we have  

H

0

t

∂ ≡

.   

 

The Euler equation can be written as          

(

)

2

1

2

f

v

P

Φ

+ −

= ×

ω

 

 
Choose a streamline and define the tangent unary vector  

/ v

=

τ

v

. Next, multiply the above 

equation (in the sense of the inner product) by 

τ

. The result is 

 

(

) (

)

2

2

1

1

2

2

f

f

d

1

v

P

:

v

P

(

)

0

d

v

Φ

Φ

+ −

= ∇

+ −

⋅ =

⋅ ×

=

τ

v v ω

τ

 

 

Hence, the function under the gradient is constant along  the streamline:        
 

2

1

B

2

f

v

P

C

Φ

+ −

=

 

 
The  Bernoulli  constant 

C

B

  can  be  –  in  general  –  different  for  different  streamlines,  unless 

0

× =

ω

 (for instance, the flow may be irrotational, i.e. such that the vorticity 

0

ω

). 

 

background image

 

81

 
In practice, 
we use the Bernoulli equation in the form of 
         

(

) (

)

2

2

1

1

2

2

f

f

A

B

v

P

v

P

Φ

Φ

+ −

=

+ −

 

 
where A and B denote two points on the same streamline.  

background image

 

82

 

C

AUCHY

-L

AGRANGE 

E

QUATION

 

 

Now, the flow can be unsteady but we assume that the velocity field is potential. Then 
 

v

Φ

= ∇

v

 

 

for some scalar field (the velocity potential) 

Φ

v

 and 

 

0

= ∇× =

ω

v

      ,      

v

t

t

Φ

= ∇

v

        ,      

2

2

v

v

|

|

Φ

= ∇

 
Then the Euler equation takes the form of 
  

      

(

)

2

1

v

v

2

t

f

|

|

P

Φ

Φ

Φ

+ ∇

+ −

=

0

 

 

meaning that       

 

 

  

2

v

1

v

2

f

P

C(t)

t

Φ

Φ

Φ

+ ∇

+ −

=

   

 

for some function 

C

, which depends only on time

background image

 

83

AERO/HYDRODYNAMIC FORCES 

 

S

TRESS AND REACTION FORCE EXTERTED AT AN IMMERSED SURFACE

 

 

The flow-induced force is defined as the surface integral of the surface stress vector 
 

dS

dS

=

=

F

σ

Σn

 
For an incompressible fluid we have the constitutive relation   
 





rotation

gradient of

tensor

velocity

p

2

p

2

2

= − +

= − +

Σ

I

D

I

v

R

µ

µ

µ

  
Since                                        

1

1

2

2

rot

= − ×

= − ×

R n

n

v

ω

 

 
 
 we can write                     

p

2

=

= − +

∇ ⋅ +

×

σ

Σn

n

v n

ω

µ

µ

 

background image

 

84

The following theorem holds

 

If    

div

0

=

v

   (incompressible flow) and   

=

v

0

     then  

 

∇ ⋅ + × =

v n n ω

0

 

Proof 

 

Since 

=

v

0

 then the boundary 

 is the izosurface for all components of the velocity 

field and the gradients of these components must be perpendicular (normal) to 

.  

 

Thus, we can write        

 

j

j

j

k

k

v

v

n , k 1,2,3

x

λ

× =

=

=

n

0

 

 

for some real numbers 

λ

j

 (j = 1, 2, 3).   

 

Next, in the index notation we have  
    

 

ijk

j

k

i

n

ω

× =∈

ω

e

     ,     

j

i

j

i

x

v

n

∇ ⋅ =

v n

e

 

background image

 

85

After insertion we get 
 



j

j

j

j

i

j

i

i

j

x

x

x

i

ijk

k

j

i

i

ijk

k

j

i

x

x

x

x

x

i

i

j

i

j

j

i

i

j

i

j

i

x

x

x

j

j

i

j

j

j

i

i

div

j

i

j

0

j

j

i

i

(

v

) n

(

v

v ) n

v

(

)

v

n

(

v

v

v ) n

v n

(

v n

v n )

(

n n

n n )

=

=

∇ ⋅ + × =

+∈

=

+∈ ∈

=

=

+

=

+

=

=

=

=

=

v

v n n ω

e

e

e

e

e

e

e

0

α

α

αβ

β

α β

β α

β

ω

δ δ

δ δ

λ

λ

 

Using the above result in the formula for the stress vector, we finally obtain the formula 
 

p

µ

= − −

×

σ

n

ω

 
Note  that 

p

0

× =

n n

  and 

(

)

0

× ⋅ =

ω n

  so  the  first  term  corresponds  to  the  normal 

stress while the second one – to the tangent stress at the boundary surface 

 
The total aerodynamic force can be calculated from the integral formula 
 

(p

)dS

µ

= −

+

×

F

n

ω

 

 

background image

 

86

Interestingly  enough,  the  above  formula  for  the  force  F  can  be  derived 

without

  the 

assumption that the velocity is zero at the boundary (however in such case the formula 
for the stress vector is not true!). Indeed, we have 
 

dS

p dS 2

dS

dS

µ

µ

=

= −

+

∇ ⋅

+

×

F

σ

n

v n

ω

But 
 







Laplacian of

tensor version

the velocity

of GGO

GGO for

the cross

product

0

dS

Div (

)d

d

(

)d

(

)d

d

dS

=

=

∇ ⋅

=

=

=

= ∇ ∇⋅

− ∇× ∇×

= − ∇×

= −

×

ω

v n

v

x

v

x

v

x

v

x

ω x

ω

 

 
Thus    
                    

p dS 2

dS

dS

(p

)dS

µ

µ

µ

= −

×

+

×

= −

+

×

F

n

ω

ω

n

ω

background image

 

87

T

HE INTEGRAL FORM OF THE MOMENTUM EQUATION 

(

STEADY MOTION

 
 Consider a stationary flow. The momentum equation in the 
index form reads 

ij

i

j

i

j

j

v

v

f

x

x

σ

ρ

ρ

∂ =

+

 

 

or, using the (stationary) mass conservation equation 
 

ij

i

j

i

j

i

j

j

j

0

v

v

v

( v )

f

x

x

x

σ

ρ

ρ

ρ

+

=

+



 

 

Two terms in the left-hand side of the above equation can 
be collected into one term, namely  

 

 

                              

fluid

body

Γ

Γ

=

 

 

                            

ij

i

j

i

j

j

( v v )

f

x

x

σ

ρ

ρ

=

+

 

n

n

Γ

fluid

Γ

body

Γ

body

Γ

fluid

n

n

background image

 

88

Assume  next  that  the  volume  forces  can  be  neglected.  Then  the  momentum  equation 
reduces to 

 

i

j

ij

j

( v v

)

0

x

ρ

σ

=

 

 

In  the  next  step,  we  calculate  the  volume  integral  and  apply  to  it  the  GGO  theorem.  The 
result is 

 

j

x

i

j

ij

( v v

)d

0

ρ

σ

=

x

  

 

i

j

j

ij

j

( v v n

n )dS

0

ρ

σ

=

 

 

Equivalently, we can write the vector relation as follows 

 

 

n

j

j

i

i

ij

j

v

i

( v n v

n

)dS

0

ρ

σ

= ⋅

=

v

v n

σ

e

e







 , 

 

or simply                                 

momentum flux

through t

n

he boundary

dS

(

) v dS

ρ

=

σ

v



 

 

background image

 

89

The  obtained  relation  is  nothing  else  like  the  integral  form  of  the  momentum  principle 
written  for  a  stationary  flow.  Note  that  it  contains  exclusively  the  integrals  over  the 
boundary of the control volume (no volume integral are present).
 
 
The boundary of the control volume consists of two parts: surface of the body and the fluid 
boundary. Thus, we can write 
 

body

fluid

n

dS

(

) v dS

dS

Γ

Γ

ρ

=

F

σ

v

σ





 
where the vector 

F

 is the reaction on the immersed body from the fluid contained in the 

control volume.  
 
If we assume that the body is impermeable  then   

body

n

v

0

Γ

=

   and 

 

fluid

fluid

n

(

) v dS

dS

Γ

Γ

ρ

− =

F

v

σ

 

 

 

background image

 

90

Consider now an incompressible flow. The surface stress vector is expressed as    
 

p

2

µ

= −

+

σ

n

Dn

 

 
and the formula for the reaction force can be written as follows 
 

fluid

fluid

fluid

n

(

) v dS

p dS 2

dS

Γ

Γ

Γ

ρ

µ

= −

+

F

v

n

D n

 

 
Quite  often,  we  can    choose 

fluid

Γ

  in  such  way  that  the  viscous  term  is  relatively  small 

and can be neglected. Then 
 

fluid

fluid

n

(

) v dS

p dS

Γ

Γ

ρ

≅ −

F

v

n

 
Sometimes  the  part  of  the  body  surface  is  in  the  contact  with  some  other  motionless  fluid 
(typically – the surrounding air) having a uniform pressure 

p

a

.  

 

Note that for the closed surface 

fluid

Γ

 we have   

fluid

fluid

a

a

p

dS

p

dS

Γ

Γ

=

=

n

n

0

  (

why?

background image

 

91

 
The formula for the full (or net) force can be then written as follows 
 

fluid

fluid

n

a

net

(

) v dS

(p p ) dS

Γ

Γ

ρ

≅ −

F

v

n

 

 

During the tutorial part we will see that the formula in the above form is particularly useful 
to calculate the reaction force exerted by a free stream colliding with the solid body. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

92

C

C

I

I

R

R

C

C

U

U

L

L

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

,

,

 

 

V

V

O

O

R

R

T

T

I

I

C

C

I

I

T

T

Y

Y

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

S

S

T

T

R

R

E

E

A

A

M

M

F

F

U

U

N

N

C

C

T

T

I

I

O

O

N

N

S

S

 

 

 

C

IRCULATION

 

 

Definition: Circulation of the vector field 

w

 along the (closed) contour 

L

 is defined as 

 

d

Γ

=

w



l

L

 

Kelvin’s Theorem: 

 

Assume that: 

• 

the volume force field 

f

 potential

• 

the fluid is inviscid and barotropic 

• 

the flow is stationary.  

 

Then

: the circulation of the velocity field 

v

 along any closed material line 

L(t)

 is constant 

in time, i.e. 
 

d

d

dt

dt

(t)

(t)

(t, ) d

0

Γ

⋅ =

v

x



l

L

 

 

background image

 

93

Proof of the Kelvin Theorem:  
 
Since the flow is barotropic and the volume force field is potential, we can write 
 

1

P

p

ρ

∇ = ∇

      ,       

Φ

= ∇

f

 

 
Thus, the acceleration (which consists of the convective part only) can be expressed as 

 

(

)

(P

)

Φ

≡ ⋅∇ = −∇ −

a

v

v

 

 
In  order  to  evaluate  the  time  derivative  of  the  circulation  along  the  material  line,  it  is 
convenient to use Lagrangian approach. Thus, the circulation can be expresses as 
 

0

0

(t)

(t)

(t)

(t, ) d

(t, )

(t, )d

Γ

=

⋅ =

v

x

V

ξ J

ξ





l

l

L

L

 

 

 where 

(t, )

=

x

J

ξ

ξ

 denotes the Jacobi matrix of the transformation between Eulerian and 

Lagrangian coordinates.  
 

background image

 

94

Then,  the time derivative of the circulation is evaluated as follows 
 

0

0

0

0

0

int. of the grad. a

0

0

(t)

(t)

(t)

1

2

0

0

(t)

(

long the closed

t)

(t)

(t

loop

)

d

d

(t, ) d

(t, )

(t, )d

(t, )

(t, )d

dt

dt

(t, )

(t, )d

(t, ) d

(

)(t, ) d

(P

) d

ξ

ξ

Φ

=

⋅ =

=

+

+

⋅∇

=

⋅ +

=

= − ∇ +

v

x

V

ξ J

ξ

a

ξ J

ξ

V

ξ

V

ξ

a

x

V V

ξ

















l

l

l

l

l

l

l

L

L

L

L

L

L

L

int. of the grad. along

the closed loo

0

p

0

=

=





 

 
 

where the relation 

t

(t, )

(t, )

ξ

= ∇

J

ξ

V

ξ

 has been used. 

background image

 

95

V

ORTICITY

 

 
As we already know, the vorticity is defined as the rotation of the velocity:    

 

rot

=

≡ ∇×

ω

v

v

 

 

Definitions: 

 

▶ A vortex line is the line of the vorticity vector field. At each point of such line, the 

vorticity vector is tangent to this line. 

▶ The vortex tube is the subset of the flow domain bounded by the surface made of the 

vortex lines passing through all point of a given closed contour (the contour 

L

 on the 

picture below) 

vortex line

L

vorticity field

background image

 

96

S

TRENGTH OF THE VORTEX TUBE

 

 

It is defined as the flux of vorticity through a cross-section of 
the tube. Using the Stokes’ Theorem we can write: 
 

S

d

d

σ

Γ

=

⋅ =

ω n

v

x



l

 

 

We  see  that  the  strength  of  the  vortex  tube  is  equal  to  the 
circulation  of  the  velocity  along  a  closed  contour  wrapped 
around the tube

 
The  above  definition  does  not  depend  on  the  choice  of  a 

particular  contour.  Indeed,  since  the  vorticity  field  is  divergence-free,  the  flux  of  the 
vorticity is fixed along the vortex tube.  To see this, consider the tube segment 

 located 

between two cross-section 

S

1

 and 

S

2

 .  

 

From the GGO theorem we have 

 

1

2

side

S

S

S

0

0

d

ds

ds

ds

0

=

= ∇⋅

=

+

+

=

ω x

ω n

ω n

ω n



 

S

2

S

1

n

2

n

1

S

side

background image

 

97

 
Note that the last integral vanishes because the surface 

S

side

 is made of the vortex lines and 

thus at each point of 

S

side

 the normal versor 

n

 is perpendicular to the vorticity vector.  

 
Note also that the orientations of the normal versors at 

S

1

 and 

S

2

 

are opposite (in order to 

apply  the  GGO  Theorem,  the  normal  versor  must  point  outwards  at all  components  of 
the boundary 

).  

 
Reversing the orientation of 

n

 at 

S

2

, we conclude that 

 

1

2

S

S

ds

ds

=

ω n

ω n

 

 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 

98

H

ELMHOLTZ 

(3

RD

 

) T

HEOREM

 

 

Assume that

▶ the flow is inviscid and barotropic
▶ the volume force field is potential.  
 

Then:

 the vortex lines consist of the same fluid elements, i.e. the lines of the vorticity field 

are material lines
 

Proof:  

 

We need the transformation rule for the vectors tangent to a material line
 
Let at initial time t = 0 the material line be described parametrically as 

:

(s)

=

a

a

0

l

.  

At  some  later  time  instant  t  >  0,  the  shape  of  the  material  line  follows  from  the  flow 
mapping 

t

:

a

x

֏

R

R

R

R

R

R

R

R

F

, i.e.,  

t

:

( )

[ (s)]

=

=

x

x s

a

l

F

.  

 
The corresponding transformation of the tangent vector can be evaluated as follows 
 

Jacobi ma

d

d

d

t

0

ds

trix

ds

ds

(s)

(s)

( (s))

[

/

]( (s))

(s) [

/

]( (s))

(s)

=

=

= ∂ ∂

= ∂ ∂

τ

x

a

x

ξ a

a

x

ξ a

τ



F

 

background image

 

99

Let’s now write the acceleration in the Lamb-Gromeko form:     
 

2

D

1

t

Dt

2

( v )

=

= ∂ + ∇

+ ×

a

v

v

ω v

 

 
The rotation of 

a

 can be expressed as  

 

D

t

Dt

(

)

(

)

(

)

(

)

∇× = ∂ ∇× + ∇× × =

− ⋅∇ + ∇⋅

a

v

ω v

ω

ω

v

ω

 

 
In the above, the following vector identity, written for 

=

p

ω

  and 

=

q

v

,  is used  

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

∇× × = ⋅∇ − ⋅∇ + ∇⋅

− ∇⋅

p q

q

p

p

q

q p

p q

 

  
Next, one can calculate the Lagrangian derivative of the vector field  

/

ρ

ω

  as follows 

 

( )



2

D

1

1 D

1

D

1

Dt

Dt

Dt

1

1

1

(

)

(

)

(

)

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

=− ∇⋅

=

= ∇× + ⋅∇ − ∇⋅

+

+

∇⋅ = ∇× +

⋅∇

v

ω

ω

ω

a

ω

v

ω

ω

v

a

ω

v

 

 

background image

 

100

From the equation of motion and assumed flow properties that the acceleration field is 
potential and thus 

∇× =

a

0

 

 

Then, the equation for the vector field  

/

ρ

ω

 reduces to 

 

( )

D

1

1

Dt

(

)

ρ

ρ

=

⋅∇

ω

ω

v

 

 

Define the vector field 

c

 such that    

i

i

j

j

x

c

ω ρ ξ

=

  ,  or equivalently,   

Jacobi

matrix

(

/

)

ρ

=

∂ ∂

ω

x

ξ c





 

In the above, the symbol 

ξ

 denotes the Lagrangian variables.  

 

The left-hand side of the above equation can be transformed as follows  

 

( )

d

d

D

1

Dt

dt

dt

d

dt

L

(

/

)

(

/

) c (

/

)

(

/

) c (

/

)(

/

)

ρ

=

=

∂ ∂

= ∂ ∂

+ ∂ ∂

=

= ∂ ∂

+ ∂ ∂ ∂ ∂

ω

x

ξ c

x

ξ

v

ξ c

x

ξ

v

x

x

ξ c

 

 

The right-hand side can be written as 

 

1

R

(

)

(

/

)

(

/

)(

/

)

ρ

=

⋅∇ = ∂ ∂

⋅∇

= ∂ ∂ ∂ ∂ ⋅

ω

v

x

ξ c

v

v

x

x

ξ c

 

background image

 

101

 

Since 

L = R

, we obtain 

 

d

dt

(

/

)

(

/

)(

/

)

(

/

)(

/

)

∂ ∂

+ ∂ ∂ ∂ ∂

= ∂ ∂ ∂ ∂

x

ξ

c

v

x

x

ξ c

v

x

x

ξ c

 

 
which implies that                                         

d

dt

0

=

c

 

 
Thus,  c is constant along trajectories of the fluid elements.  
 
Using the Lagrangian description, we can write             

0

(t, )

(0, )

=

=

c

ξ

c

ξ

c

 

 

Note  that  for  the  initial  time   

t  =  0

  the  transformation  between  Lagrangian  and  Eulerian 

descriptions reduces to identity.  

 

t 0

(

/

)

=

∂ ∂

=

x

ξ

Ι

     

 
Therefore    

0

1

0

0

ρ

=

c

ω

  and since  

0

(t)

c

c

   we get    

 

0

1

1

0

(

/

)

ρ

ρ

= ∂ ∂

ω

x

ξ

ω

 

background image

 

102

The  last  equality  has  the  form  of  the  transformation  rule  for  the  vectors  tangent  to 

material  lines.  Since  the  vector 

0

0

/

ρ

ω

  is  tangent  to  the  vortex  line  passing  through  the 

point ξ at 

t = 0

, it follows that the vector 

/

ρ

ω

 is tangent to image of this line at some later 

time t. But 

/

ρ

ω

 is also tangent to the vortex line passing through the point 

x

, which means 

that the vortex lines must be material

  

Since the vortex lines are material, so are the vortex tubes. If we define a closed, material 

contour  lying  on  the  vortex  tube’s  surface  (and  wrapped  around  it),  then  such  a  contour 

remains on this surface for any time. It follows from the Kelvin Theorem that the circulation 

along such contour remains constant. Consequently, the strength of any vortex tube also 

remains constant in time. It is important conclusion showing that the vortex motion of the 

inviscid, barotropic fluid exposed to a potential force field cannot be created or destroyed.  

 

background image

 

103

E

QUATION OF THE VORTICITY TRANSPORT

 

 

In fluid mechanics the vorticity plays a very important role, in particular in understanding 
of  the  phenomenon  of  turbulence.  In  this  section  we  derive  the  differential  equation 
governing spatial/temporal evolution of this field. 

 

Recall that the equation of motion of an inviscid fluid can be written in the following form 
 

2

1

1

t

2

( v )

p

ρ

∂ + ∇

+ × = − ∇ +

v

ω v

f

 

 
Thus, the application of the rotation operator yields 
 

1

t

(

)

(

p)

ρ

∂ + ∇× × = −∇× ∇ + ∇×

ω

ω v

f

 

 
The pressure term can be transformed as follows 
 

2

1

1

1

1

0

(

p)

( )

p

p

p

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

∇× ∇ = ∇

×∇ + ∇×∇ = − ∇ ×∇







 

Note: the above term vanishes identically when the fluid is barotropic since the gradients 
of pressure and density are in such case parallel
.  

background image

 

104

The equation of the vorticity transport can be written in the form  
 

2

1

t

(

)

(

)

p

ρ

ρ

∂ + ⋅∇ − ⋅∇ = − ∇ ×∇ + ∇×

ω

v

ω

ω

v

f

 

 
or, using the full derivative         



2

nonpotential

vortex stretching

volume force

baroclinic

term

te

D

1

D

m

t m

t

r

er

(

)

p

ρ

ρ

=

⋅∇

− ∇ ×∇ + ∇×

ω

ω

v

f











 

 
 

The change of the vorticity appears due to the following factors: 

 

• 

Local  deformation  of  the  pattern of vortex  lines  (or vortex  tubes)  known  as  the  “vortex 
stretching”
  effect.  This  mechanism  is  believed  to  be  crucial  for  generating 
spatial/temporal  complexity  of  turbulent  flows.  The  vortex  stretching  term  vanishes 
identically for 2D flows

 

• 

Presence of baroclinic effects. If the flow is not barotropic then the gradients of pressure 
and  density  field  are  nonparallel.  It  can  be  shown  that  in  such  situation  a  torque  is 
developed which perpetuates rotation of fluid elements (generates vorticity). 

 

• 

Presence  of  nonpotential  volume  forces.  This  factor  is  important  e.g.  for  electricity-
conducting fluids. 

background image

 

105

For  the  barotropic  (in  particular  –  incompressible)  motion  of  inviscid  fluid,  the  vorticity 
equation reduces to 

 

D

Dt

(

)

=

⋅∇

ω

ω

v

 

 
In the 2D case it reduces further to                  

D

Dt

0

=

ω

 

 

We  conclude that  in  any 2D  flow  the  vorticity  is  conserved  along  trajectories of fluid 
elements. 

 

If the fluid is viscous, the vorticity equation contains the diffusion term. We will derive this 
equation assuming that the fluid is incompressible. Again, we begin with the Navier-Stokes 
equation in the Lamb-Gromeko form 

 

2

1

1

t

2

( v )

p

ρ

ν ∆

∂ + ∇

+ × = − ∇ +

+

v

ω v

v f

 

 

If the rotation operator is applied, we get the equation 

 

t

(

)

(

)

ν ∆

∂ + ⋅∇ − ⋅∇ =

+ ∇×

ω

v

ω

ω

v

ω

f

 

 

which reduces to                   

t

(

)

(

)

ν ∆

∂ + ⋅∇ − ⋅∇ =

ω

v

ω

ω

v

ω

 

 

when the field of the volume forces 

f

 is potential.  

background image

 

106

In the above, the following operator identity has been used  
 

rot

rot (grad div

rot rot )

rot rot

grad div

rot rot

=

= −

=

=

v

v

v

ω

ω

ω

ω

 

 
showing that the vector Laplace and rotation operators commute.  
 
The vorticity equation can be also written equivalently as  
 

D

Dt

(

)

ν ∆

=

⋅∇ +

ω

ω

v

ω

 

 

The  viscous  term  describes  the  diffusion  of  vorticity  due  to  fluid  viscosity.  This  effect 
smears the vorticity over the whole flow domain. Thus, in the viscous case the vortex lines 
are not material lines anymore. 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

107

T

WO

-

DIMENSIONAL INCOMPRESSIBLE FLOW

. S

TREAMFUNCTION

 
The  streamfunction  is  a  very  convenient  concept  in  the  theory  of 2D  incompressible  flow. 
The idea is to introduce the scalar field 

ψ

 such that  

 

y

u

ψ

= ∂

       ,      

x

v

ψ

= −∂

 

 

Note that the continuity equation            

 

x

y

u

v

0

∂ + ∂ =

 

 

is satisfied automatically. Indeed, we have 

 

                                                

x

y

x

u

v

ψ

ψ

0

∂ + ∂ = ∂

−∂

=

xy

y

 

 

The streamfunction has a remarkable property: it is constant along streamlines. 

 

To  see  this,  it  is  sufficient  to  show  that  the  gradient  of  the  streamfunction  is  always 
perpendicular to the velocity vector (why?). It is indeed the case: 

 

x

y

u

v

uv

vu

0

ψ

ψ

ψ

∇ ⋅ = ∂ + ∂

= − +

=

v

 

background image

 

108

S

TREAMFUNCTION AND THE VOLUMETRIC FLOW RATE

 

 
Consider a line joining two points in the (plane) flow domain. We will calculate the 
volumetric flow rate (the volume flux) through this line.  
 

  We have 

 

B

B

B

x

y

AB

A

A

A

B

B

y

x

x

x

y

y

A

A

B

B

A

A

Q

ds

ds

(u n

v n )ds

(u

v

)ds

(

)ds

d

τ

τ

τ ψ τ ψ

ψ

ψ ψ

=

=

=

+

=

=

=

∂ + ∂

=

= ∇ ⋅ =

v n

v n

s

 

 

 

The  volumetric  flux  through  the  line  segment  is  equal  to  the  difference  of  the 
streamfunction between the endpoints of this segment.  
 

n

τ

v

A

B

ψ=ψ

Α

ψ=ψ

B

A

+

Q

AB

streamlines

background image

 

109

S

TREAMFUNCTION AND VORTICITY

 

 

There  exists  a  relation  between  the  streamfunction  and  vorticity.  Since  the  flow  is  2D, 
the vorticity field is perpendicular to the flow’s plane and can be expressed as  

 

        

 

 

 

 

 

x

y

z

z

(

v

u)

ω

≡ ∇× = ∂ −∂

ω

v

e

e

 

 

Then, the streamfunction satisfies the Poisson equation  

 

xx

yy

x

y

(

v

u)

∆ψ

ψ

ψ

ω

≡ ∂

+ ∂

= − ∂ − ∂

= −

 

 

Two dimensional motion of an incompressible viscous fluid can be described in terms of the 
purely  kinematical  quantities:  velocity,  vorticity  and  streamfunction.  The  pressure  field  is 
eliminated  and  the  continuity  equation 

div

0

=

v

  is  automatically  satisfied.  The  complete 

description consists of the following equations: 

 

• 

Equation of the vorticity transport  (2D)                    

t

x

y

u

v

ω

ω

ω ν ∆ω

∂ + ∂ + ∂ =

 

• 

Equation for the streamfunction 

 

 

 

 

∆ψ

ω

= −

 

• 

Relation between the streamfunction and velocity  

y

u

ψ

= ∂

  , 

x

v

ψ

= −∂

 

• 

Definition of vorticity (2D) 

 

 

 

 

 

x

y

v

u

ω

= ∂ − ∂

   

 

 

 

 

accompanied by appropriately formulated boundary and initial conditions

background image

 

110

E

E

N

N

E

E

R

R

G

G

Y

Y

 

 

O

O

F

F

 

 

A

A

 

 

F

F

L

L

U

U

I

I

D

D

 

 

F

F

L

L

O

O

W

W

 

 

 

E

E

N

N

E

E

R

R

G

G

Y

Y

 

 

E

E

Q

Q

U

U

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

 

 

Total energy of the fluid inside the region 

 is the sum of the kinetic energy 

E

K

 

and the internal energy 

U

.  

 
The energy changes during the fluid motion due to: 
▶ external volume and surface forces,  
▶ heat conducted through the boundary 

∂Ω

 

▶ heat produced by internal sources.  
 
The time derivative of the total energy of the fluid in 

 can be written as 

 

d

K

dt

(U E ) P

P

Q

Q

∂Ω

∂Ω

+

=

+

+

+

 

 

 
 

 

background image

 

111

The right-hand-side terms are: 

 

 

P

d

= ρ ⋅

f v x

  

 

 

 

 

     -     power of the volume forces, 

 

 

P

dS

dS

∂Ω

∂Ω

∂Ω

=

=

σ v

Σn

  

     -     power of the surface (or interface) forces, 

 

Q

qd

= ρ

x

    

 

 

 

 

     -      power  of  the  internal  heat  sources  (symbol  q 

                                               denotes their volumetric density) , 

 

GGO

d T

Q

dS

T

dS

dn

∂Ω

∂Ω

∂Ω

=

= λ

λ∇ ⋅

n

   -      the  heat  flux  through  the  boundary 

∂Ω

  (the 

                                                                            symbol 

T

  denotes  temperature  and 

λ

  is  the 

                                                                            coefficient of  heat conduction).  
 

background image

 

112

 
Using the quantities defined above we get 
 

power of the

internal heat

power of the

heat flux through

sources in

volume forces

surfa

total e

ce forces

the boun

2

d

1

2

ne

dary

r

t

gy

d

(u

v )d

d

dS

q d

T

dS

∂Ω

∂Ω

ρ +

= ρ ⋅

+

+ ρ

+ λ∇ ⋅

x

f v x

Σn

x

n

















 
where 

u

 denotes the mass-specific internal energy of the fluid. 

 

In  order  to  derive  the  differential  energy  equation,  we  have  to  transform  all  surface 
integrals into the volume integrals.  
 
Consider  first  the  derivative  on  the  left  side.  On  the  basis  of  the  Reynolds  transport 
theorem
 and the mass conservation principle, we also have 
 
 

2

2

d

1

D

1

Dt

2

2

dt

(u

v )d

(u

v )d

ρ +

= ρ

+

x

x

 
 

background image

 

113

N

N

e

e

x

x

t

t

,

,

 

 

w

w

e

e

 

 

t

t

r

r

a

a

n

n

s

s

f

f

o

o

r

r

m

m

 

 

t

t

h

h

e

e

 

 

s

s

u

u

r

r

f

f

a

a

c

c

e

e

 

 

i

i

n

n

t

t

e

e

g

g

r

r

a

a

l

l

s

s

:

:

 

 

 

 

 

j

j

j

j

j

i

j

i

j

j

i

j

i

x

x

x

ij i

j

ij i

ij

i

ij

i

1

1

2

2

x

x

x

x

x

ij

i

ij

i

j

ij

i

j

1

1

1

2

2

2

x

x

x

x

ij

i

ij

i

j

ij

i

ji

GGO

dS

v n dS

(

v )d

v d

v d

v d

(

v

v )d

(

v

v )d

v d

(

v

v )d

v d

∂Ω

∂Ω

=

σ

= σ

=

σ

=

σ

+ σ

=

=

σ

+ σ

+

+ σ

=

=

σ

+ σ

+

+ σ

σ

Σn

x

x

x

x

x

x

x

x

x



j

j

x

i

v d

Div

d

d

=

=

+

x

Σ v x

Σ : D x

 

 

and also         

 

 

 

GGO

T

dS

(

T)d

∂Ω

λ∇ ⋅

= ∇⋅ λ∇

n

x

 

Assume that all physical fields involved are sufficiently regular. Since the volume 

 can be 

arbitrary the partial differential equations – called the energy equations – follows 
 

2

D

1

Dt

2

(u

v )

Div

q

(

T)

ρ

+

=ρ ⋅ +

⋅ +

+ρ +∇⋅ λ∇

f v

Σ Σ: D

 

background image

 

114

I

I

N

N

T

T

E

E

R

R

N

N

A

A

L

L

 

 

E

E

N

N

E

E

R

R

G

G

Y

Y

 

 

A

A

N

N

D

D

 

 

V

V

I

I

S

S

C

C

O

O

U

U

S

S

 

 

D

D

I

I

S

S

S

S

I

I

P

P

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

 
It is interesting to consider separately the balance of kinetic and internal energy. To this 
end, consider the momentum equation 
 

D

Dt

Div

ρ

=ρ +

v

f

Σ

 

 
The momentum equation can be multiplied by the velocity vector v. We get 
 

      

D

Dt

Div

ρ

⋅ =ρ ⋅ +

v v

f v

Σ v

 

 
or, equivalently   

            



2

D 1

Dt 2

v

(

)

Div

ρ

⋅ =ρ ⋅ +

v v

f v

Σ v

 

 

In the next step, the above equation is integrated in the volume 

 which yields the following 

integral expression for the temporal rate of change of the kinetic energy 

 

k

2

d

1

2

dt

E

v d

d

Div

d

ρ

= ρ ⋅

+

x

f v x

Σ v x



 

background image

 

115

Let’s transform the second integral in the right-hand side. We can write (GGO again!) 

 

j

j

j

j

x

x

x

ij

i

ij

i

ij

i

x

i

ij

j

ij

i

Div

d

v d

(

v )d

v d

v

n dS

v d

dS

d

dS

d

∂Ω

∂Ω

∂Ω

=

σ

=

σ

− σ

=

=

σ

− σ

=

=

=

Σ v x

x

x

x

x

Σn

Σ: v x

Σn

Σ: D x

 

 

The rate of change of the kinetic energy can be expressed as follows 
 

2

d

1

2

dt

v d

d

dS

d

∂Ω

ρ

= ρ ⋅

+

x

f v x

Σn

Σ : D x

 

 
If the above equality is subtracted from the integral form of the balance of the total energy, 
we get the integral formula for the temporal rate of change of the internal energy, namely 

 

d

dt

U

ud

qd

T

dS

d

∂Ω

ρ

= ρ

+ λ∇ ⋅

+

x

x

n

Σ : D x







background image

 

116

Observe that both formulae written above contain the term  

 

:

d

=

Σ : D x

T

 

 

but  with  opposite  signs!  This  term  describes  the  transfer  of  mechanical  energy  into 
internal energy
 (or vice versa).  

 

Let’s  look  at  the  structure  of  this  term  in  details.  The  stress  tensor  for  the  linear  fluids  is 
expressed as       

k

2

3

x

ij

k

ij

ij

[ p (

)

v ]

2 d

σ = − + ζ− µ

δ + µ

Hence, we have 

                                 

k

2

k

0 if

0 (compression)

2

3

x

ij

ij

ij

ij

k

ij

ij

ij

ij

2

3

x

ii

k

ii

ij

ij

0 if

0 (expansion)

positi

2

2

3

ve definite par

r

t

t

d

p

d

(

)

v

d

2 d d

pd

(

)

v d

2 d d

p

(

)(

)

2

>

=

⋅ <

<

∇⋅ >

= σ

= − δ

+ ζ − µ

δ

+ µ

=

= −

+ ζ − µ

+ µ

=

− ∇⋅

+

+ ζ − µ ∇⋅

+ µ

v
v

D

Σ : D

v

v

D : D









 

 

background image

 

117

The “energy transfer” term takes the following form 
 

int ernal to mechanical

irreversible mechanical to int ernal energy transfer, i.e.

(if

0) or reverse (if

0)

dissipation of the machanical energy due to i

energy transfer

2

2

3

d

p

d

(

) (

) d

2

d

− −

− −

<

>

= − ∇⋅

+ ζ − µ ∇⋅

+ µ

Σ : D x

v x

v

x

D : D x







nt ernal "friction"





 
 
For incompressible flows  we have 

0

∇⋅ =

v

, thus 

 
 

j

j

i

i

j

i

j

i

j

j

j

j

i

i

i

i

j

j

i

i

j

i

j

i

v

v

v

v

1

2

x

x

x

x

v

v

v

v

v

v

v

v

1

2

x

x

x

x

x

x

x

x

d

2

d

d

2

d

d

∂ ∂

∂ ∂

∂ ∂

∂ ∂

∂ ∂







= µ

= µ

+

+

=

= µ

+

+

= µ

+

i

j

v

x

Σ : D x

D : D x

x

x

x

R

 

 
 
The quantity 

R

 is called the dissipation rate. 

 

background image

 

118

F

F

I

I

R

R

S

S

T

T

 

 

I

I

N

N

T

T

E

E

G

G

R

R

A

A

L

L

 

 

O

O

F

F

 

 

T

T

H

H

E

E

 

 

E

E

N

N

E

E

R

R

G

G

Y

Y

 

 

E

E

Q

Q

U

U

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

 
If the fluid is ideal (i.e., inviscid and not heat-conducting) then an algebraic relation between  

kinematic and thermodynamic parameter - known as the first integral of the energy equation 

- can be derived. The derivation procedure is similar to that for the Bernoulli Equation. The 

main  difference  is  that  the  flow  need  not  to  be  barotropic  –  we  assume  only  flow 

steadiness and potentiality of the volume force field, i.e. that 

= ∇Φ

f

 
We begin with the differential energy equation, which in the case of an ideal fluid reduces to  
 

2

D

1

Dt

2

(u

v )

(p )

ρ

+

= −∇⋅

+ρ ⋅

v

f v

 

 
By expanding the pressure term, this equations can be re-written equivalently as 
 

2

D

1

Dt

2

(u

v )

p

p

ρ

+

= − ∇⋅ − ⋅∇ +ρ ⋅

v v

f v

 

 

background image

 

119

Since the volume force is potential, the corresponding term in the right-hand side can be 
transformed as follows 
 



D

t

0

t

D

(

)

=

ρ ⋅ = ρ ⋅∇Φ = ρ ∂ Φ + ⋅∇Φ = ρ Φ

f v

v

v

 

 
Moreover, due to flow steadiness we have                    

 

 

 

 



D

t

D

0

t

p

p

p

p

=

⋅∇ = ∂ + ⋅∇ =

v

v

 

 
Next, from the mass conservation equation  
 

D

Dt

0

ρ+ρ∇⋅ =

v

 

 
we get the following expression for divergence of the velocity field  
         

1 D

Dt

ρ

∇⋅ = −

ρ

v

 

 

 

background image

 

120

The energy equation can be now written in the following form     
 

D

2

Dt

p

2

D

1

D

1 D

D

Dt

Dt

Dt

(p/

Dt

2

)

(u

v )

p

=−

ρ

ρ

ρ

+

=

ρ−

+ Φ



 

 

or     

 

 

                       

i

2

D

1

Dt

2

( u p

v

) 0

=

+ ρ +

−Φ =







 

 
where  

i

u p

= + ρ

  denotes the mass-specific enthalpy of the fluid.  

 
Thus, the energy equation can be written as   
 

2

D

1

Dt

2

(i

v

) 0

+

−Φ =

 

 
Since the flow is stationary, the above equation is equivalent to  
 

2

1

2

(i

v

) 0

⋅∇ +

−Φ =

v

 

 

background image

 

121

Using the same arguments as in the case of the Bernoulli Eq., we conclude that along each 
individual streamline 

 

2

1

e

2

i

v

C

const

+

−Φ =

=

 

 

In general the energy constant 

C

e

 can be different for each streamlineIf 

C

e

 is the same for 

all streamlines then the flow is called homoenergetic
 
Let us recall that if the flow is barotropic then along each streamline we have 

 

2

1

B

2

P

v

C

const

+

−Φ =

=

 

 

Thus, when the flow is barotropic then  

 

e

B

i P

C

C

const

− =

=

 

 

i.e., the enthalpy 

i

 and the pressure potential 

P

 differ only by an additive constant.  

 

If additionally the fluid is incompressible then its internal energy 

u

 is fixed and the specific 

enthalpy  can  be  defined  as 

p /

ρ

.  Thus,  in  the  incompressible  case,  the  energy  and 

Bernoulli equations are formally identical.  

background image

 

122

E

NTROPY OF A SMOOTH FLOW OF IDEAL FLUID

 

 

 
We will show that if the flow is smooth (i.e., all kinematic and thermodynamic fields are 
sufficiently  regular)  then  the  entropy  of  the  fluid  is  conserved  along  trajectories  of 
fluid  elements
.  To  this  end,  let’s  consider  the  equation  of  internal  energy  derived  in  the 
earlier  section.  For  the  inviscid  and  not  heat-conducting  fluid,  this  equation  reduces  to 
(explain !) 

 

D

Dt

u

p

ρ

= − ∇⋅

v

 

 

We  have  already  used  the  relation   

1 D

Dt

ρ

∇⋅ = −

ρ

v

.  Thus,  the  equation  for  the  internal 

energy e can be written as follows 
 

2

p

D

D

D

D

Dt

Dt

Dt

Dt

u

p

(1/ )

p

ρ

= −

ρ = −

ρ = −

υ

 

 

Let  us  remind  that  the  first  principle  of  thermodynamics  can  be  expressed  in  terms  of 
complete  differentials  of  three  parameters  of  thermodynamic  state:  entropy 

s

,  internal 

energy 

u

 

and specific volume 

1/

υ = ρ

. The corresponding form of this principle reads 

 

T ds du pd

=

+ υ

 

background image

 

123

For the thermodynamic process inside individual fluid element one can write 
 

D

D

D

D

D

Dt

Dt

Dt

Dt

Dt

T s

u p

p

p

0

=

+

υ = −

υ+

υ =

 

 
In the above, the equation for the internal energy has been used. We see that entropy of the 
fluid is fixed along trajectories
, as stated. We will show in the Fluid Mechanics III course 
that this statement is no longer valid if strong discontinuities (called shock waves) appear.  
 
We have already introduced the concept of homoenergetic flows. In such flows we have  
 

global

2

1

e

2

i

v

C

+

−Φ =

 ,          or  equivalently          

2

1

2

(i

v

) 0

∇ +

−Φ =

 
Similarly, we call the flow homoentropic  if  

s

0

∇ ≡

. Thus, when the flow is homoentropic 

then  the  entropy  is  uniformly  distributed  in  the  flow  domain.  Since  the  1

st

  Principle  of 

Thermodynamics can be written in the following form 
 

T ds di (1/ )dp

= −

ρ

 

 
then for any stationary flow one has            

T s

i (1/ ) p

∇ = ∇ −

ρ ∇

.  

 

background image

 

124

In the case of a homoentropic flow we get  

 

i

(1/ ) p

P

∇ =

ρ ∇ = ∇

 

Thus, if the flow is homoenergetic and homoentropic, it is automatically barotropic and 
the Bernoulli constant C

B

 is global. Note that in the case of 2D flows, it implies that the 

velocity field is potential (explain why!). 

 

Yet another interesting result can be derived from the Euler equation written in the Lamb-
Gromeko form for the stationary flow 

 

2

1

1

2

( v )

p

ρ

+ × = − ∇ + ∇Φ

ω

 

 

Using  the  entropy/enthalpy  form  of  the  1

st

  thermodynamic  principle,  we  can  re-write  the 

above equation in the following form 
 

2

1

2

T s

( v

i

)

∇ = ∇

+ −Φ + ×

v

ω

 

 

We have received the Crocco equation. According to this equation, any nonuniformity in 
the  spatial  distribution  of  entropy  in  the  homoenergetic  flow  immediately  leads  to 
vorticity generation

background image

 

125

T

T

H

H

E

E

R

R

M

M

O

O

D

D

Y

Y

N

N

A

A

M

M

I

I

C

C

 

 

I

I

N

N

E

E

Q

Q

U

U

A

A

L

L

I

I

T

T

Y

Y

 

 

 

Consider  the  material  volume 

.  The  temporal  rate  of  change  of  total  entropy  of  the 

fluid  inside  this  volume  can  be  split  in  two  parts:  one  part  appears  due  to  irreversible 

processes while the other is related to the heat transfer.  

 

We have  

 

 

 

 

 





irreversible

change of

change of

entropy due

entropy

external heat

exchange

d

d

d

e

dt

dt

dt

i

S

S

S

=

+

 

 
Consider a small portion of the volume 

∆Ω 

surrounded by the surface 

∆A

.  

The  amount  of  heat  exchanged  by  this  volume  during  a  small  time  interval 

∆t

  can  be 

expressed as  
 

A

Q

t

dA

t

div d

t div ( )

∆Ω

∆ = −∆

= −∆

Ω ≈ −∆

∆Ω

q n

q

q x

 

 

background image

 

126

The increments of entropy of the volume ∆Ω which occurs in the time interval ∆t due to the 
heat exchange is 

 

e

dS

1 dQ

div ( )

d

dt

T dt

T

=

= −

q x

 

 

It  is  convenient  (and  natural)  to  introduce  the  mass-specific  density  of  entropy 

s

.  Then, 

according to well-known formula, we have 

 

dS

d

ds

sd

d

dt

dt

dt

=

ρ Ω = ρ

 

 

The  2

nd

  Principle  of  Thermodynamics  tells  us  that  irreversible  processes  always  lead  to 

some increase of entropy. Thus 

 

ds

div

d

d

d

0

dt

T

ρζ Ω = ρ

Ω+

Ω >

q

 

 

where 

i

ds

dt

ζ =

  represents  a  mass-specific  density  of  entropy  sources  corresponding  to  all 

irreversible processes.   
 

background image

 

127

The heat flux integral term can be transformed as follows 
 

2

div

T

d

div

d

d

T

T

T

 

 

 

⋅∇

Ω =

Ω +

q

q

q

 

 
In the above, the following identity 
 

2

1

1

1

1

div

div

div

T

T

T

T

T

T

 

 

 

 

 

 

=

+ ⋅∇

=

⋅∇

q

q q

q

q

 

 
has been used. We also have (the GGO theorem) 
 

div

d

dA

T

T

∂Ω

Ω =

q

q n

 

 
and thus 

2

ds

T

d

d

dA

d

0

dt

T

T

∂Ω

⋅∇

ρ ζ Ω = ρ

Ω+

+

Ω >

q n

q

 

 

background image

 

128

Finally, for an isotropic heat transfer we use the Fourier Law    
 

q

T

= −λ∇

 

 
where 

0

λ >

 is the coefficient of heat transfer. 

 
The inequality can be finally written in the following form (Gibbs-Duhem inequality
 

2

dS

T

T

dA

d

dt

T

T

∂Ω

∇ ⋅

> λ

+ λ

n

 

 
The  interpretation  can  be  formulated  as follows:  if  the  heat transfer  is  present  in the 
flow then there exists a minimal admissible rate of entropy production. 
 
 
 
 
 
 

background image

 

129

S

S

I

I

M

M

I

I

L

L

I

I

T

T

U

U

D

D

E

E

 

 

O

O

F

F

 

 

I

I

N

N

C

C

O

O

M

M

P

P

R

R

E

E

S

S

S

S

I

I

B

B

L

L

E

E

 

 

F

F

L

L

O

O

W

W

S

S

 

 

 

D

D

I

I

M

M

E

E

N

N

S

S

I

I

O

O

N

N

L

L

E

E

S

S

S

S

 

 

F

F

O

O

R

R

M

M

 

 

O

O

F

F

 

 

T

T

H

H

E

E

 

 

N

N

A

A

V

V

I

I

E

E

R

R

-

-

S

S

T

T

O

O

K

K

E

E

S

S

 

 

E

E

Q

Q

U

U

A

A

T

T

I

I

O

O

N

N

 

 

 
The Navier-Stokes equation for an incompressible flow can be written in the following form 

 

1

(

)

p

t

∂ + ⋅∇ = − ∇ +ν∆ +

ρ

v

v

v

v f

 

 

In  order  to  make  comparisons  between  various  flow  it  is  necessary  to  introduce  the 
dimensionless  form  of  the  Navier-Stokes  Equation.  To  this  end  we  choose  reference  or 
scaling quantities for:  

 

time  

t

T t

=

ɶ

,  

linear dimensions 

j

j

x

L x

=

ɶ

,   

velocity 

V

=

v

vɶ

,   

pressure 

p

P p

=

ɶ

,  

volume force 

F

=

f

fɶ

 
In the above, all symbols with wave are dimensionless quantities.  

background image

 

130

 
Consequently, we have also dimensionless differential operators 
 

dt

1

t

dt t

T t

=

=

ɶ

ɶ

ɶ

    ,       

j

j

j

j

j

dx

1

x

dx

x

L x

=

=

ɶ

ɶ

ɶ

 
The Navier-Stokes equations can be now written as  
 

2

2

V

V

P

V

(

)

p

F

T

t

L

L

L

ν

+

⋅∇ = −

∇ +

∆ +

ρ

v

v

v

v

f

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

 
or, after multiplication by L/V

2

 

 

2

2

L

P

F L

(

)

p

VT t

V L

V

V

ν

+ ⋅∇ = −

∇ +

∆ +

ρ

v

v

v

v

f

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

 
In  the  above  equation,  four  nondimensional  combinations  of  the  scaling  quantities  have 
appeared.  
 
 

background image

 

131

We can define the following similarity numbers  

 

Strouhal number 

V T

St

L

=

Euler number 

2

V

Eu

P

ρ

=

Reynolds number 

V L

Re

=

ν

Froude number 

2

V

Fr

F L

=

 

Finally, the Navier-Stokes equation can be written in dimensionless form as follows  

 

1

1

1

1

(

)

p

St

Eu

Re

Fr

t

∂ + ⋅∇ = − ∇ + ∆ +

v

v

v

v

f

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

ɶ

 

 

Note that the coefficient at dimensionless convective acceleration is equal 1. The remaining 
terms in this equations are multiplied by reciprocals of the similitude numbers. We can say 
that  each  similitude  number  is  a  measure  of  significance  of  a  corresponding  term  in 
comparison with the convective acceleration term
.  

background image

 

132

More  physically:    the  similitude  numbers  tell  us  how  important  (or  large)  are  effects 
related  to  flow  unsteadiness,  pressure  forces,  viscous  forces  and  gravity  forces  in 
comparison  to  the  inertial  forces  (related  to  the  convective  part  of  the  fluid 
acceleration)

 
 For instance, the 

Reynolds number

 tells us how important are viscous effects – apparently 

they  become  negligible  if  the  Reynolds  number  is  very  large.  Similarly,  the  effect  of  the 
volume  forces  becomes  not  much  important  when  the  Froude  number  is  large,  and  so  on. 

However,  this  general  interpretation  is  correct  providing  the  time  and  space  scaling 
quantities are relevant for the physical effect of interest
!  

 
Let’s consider a typical example: 
 
 In a viscous flow past a wing of an airplane the boundary layer exists in the close vicinity 
of  the  wing’s  surface.  Typically,  the  length  scale  in  define  as  the  wing’s  chord  and  the 
reference  velocity  is  the  velocity  of  the  free  stream  far  from  the  airplane.  Since  the 
kinematic viscosity of air is of the order 10

-5

 (m

2

/s) the Reynolds number is typically very 

large, say, of the order of millions. It might suggest that the viscous term can be neglected 
and such conclusion is essentially correct for the flow outside the boundary layer. For that 
reason,  the  large  scale  flow  around  the  airplane  can  be  adequately  model  by  the  Euler 
equations. However, inside the boundary layer viscous effects are never negligible!.  

background image

 

133

The misinterpretations of the large Reynolds number in such case is the result of choice of 
an  irrelevant  length  scale:  what  really  matters  for  the  boundary  later  flow  is  not  a  wing’s 
chord  but  rather  the  boundary  layer’s  thickness  which  is  smaller  by  several  orders  of 
magnitude than the wing’s chord!.  
 

Conditions for dynamic similitude of flows: 

 

We say that 

two flows are dynamically similar

 if: 

 
▶ they are geometrically similar, e.g. the shapes (but usually not dimensions) 

of the flow domains are the same, 

 
▶ all similitude numbers computed on the basis of the corresponding scaling 

quantities  are  the  same  for  both  flows.  It  means  that  the  dimensionless 
governing equations in both cases are identical, 

 

▶ 

the dimensionless form of the initial and boundary conditions are identical

.

 

 
 

background image

 

134

The  above  conditions  are  very  important  in 

Experimental  Fluid  Mechanics

.  where 

investigations  are  usually  carried  out  with  the  use  of  re-scaled  models  of  a  real  technical 
object  (a  model  of  an  aircraft,  a  model  of  a  car  and  so  on).  On  the  other  hand,  these 
conditions are very rigorous and it is usually very difficult (or impossible) to meet all 
of them simultaneously.  
 
Consider the investigation of the sailing boat  model made in the scale 1:10, which is carried 
out in the towing basin. The aim of the investigation is to assess a hydrodynamic drag of the 
boat.  
 
Clearly,  the  geometry  of    the  model  and  the  real  flows  are  not  strictly  similar  –  the  real 
object will not be intended to sail inside a 10-times magnified copy of the towing basin! In 
fact, the experimentalists assume (reasonably) that the measurements they conduct will give 
relevant results because the boat’s model of the boat is relatively small (or, equivalently, the 
basin is sufficiently large) and all kinds of “side walls” and “bottom” effects are negligible. 
 
Secondly, it is nearly impossible to keep both Reynolds and Froude numbers the same as in 
a real flow – it is actually a kind of self-contradictory demand. Indeed, to keep the same 
value  of  the  Froude  number,  the  model  should  move  10  times  slower  than  the  real  object, 
while keeping the same Reynolds number would require to move the model 10 times faster! 
The latter statement assumes that the fluid inside the experimental basin is the same water as 

background image

 

135

in real conditions. It should be noted that  - at least in principle – we could play with fluid 
viscosity  (but  water  is  already  the  rather  low-viscosity  fluid!)  or  with  the  gravity  (towing 
basin inside the dropping elevator ?)  What is actually done is the splitting of the experiment 
into parts devoted to a different regime of the yacht’s motion: for small velocity the frictions 
drag dominates and the similitude with respect to viscous effect is crucial, while for the fast 
motion the drag is mostly due to gravitational effects (surface waves generated by a moving 
boat) and then the Froude number should be kept the same (or close).