Appendice: L’equazione integrale dello strato limite di Von Karman Corso di Aerodinamica e Gasdinamicae A.A. 2010/2011 Docente: Prof. Renato RICCI Dimostrazione Le definizioni dei parametri caratteristici dello strato limite (Displacement Thickness e Momentum Thickness) e la conservazione della massa all’interno dello strato limite conducono a tre relazioni preliminarmente necessarie per la dimostrazione. Dalla definizione di Displacement Thickness δ * : δ δ 0 0 ρU eδ = ∫ ( ρU e − ρu)dy ⇒ ∫ ρu dy = ρU eδ − ρU eδ * (1) * Dalla definizione di Momentum Thickness θ : δ δ δ ρU θ = ∫ ( ρuU e − ρu )dy ⇒ ∫ ρu dy = ∫ ρuU e dy − ρU e2θ (2) 2 e 2 0 2 0 0 Dalla conservazione della massa : d dU e Ve = (U eδ * ) − δ − VS (3) dx dx Scriviamo la conservazione della Quantità di Moto lungo x per l’elemento di fluido contenuto all’interno dello strato limite: δ ⎞ d ⎛ dp 2 2 dδ ρ u dy − ρ U + ρ U V = − τ − δ (4) e e e w ⎟ dx ⎜⎝ ∫0 dx dx ⎠ δ ⎞ d ⎛ dp 2 2 dδ ⇒ sostituendo la (2) U ρ u dy − ρ U θ − ρ U + ρ U V = − τ − δ e e ⎟ e e e w dx ⎜⎝ ∫0 dx dx ⎠ Dimostrazione ⇒ sostituendo la (1) al primo membro ⇒ d dδ dp ⎡U e ρU eδ − ρU eδ * − ρU e2θ ⎤ − ρU e2 + ρ U V = − τ − δ ⇒ e e w ⎦ dx ⎣ dx dx d dδ τ δ dp ⎡⎣ ρ U 2eδ − ρ U 2eδ * − ρ U e2θ ⎤⎦ − ρ U e2 + ρ U eVe = − w − ⇒ dx dx ρ ρ dx d d d dδ τ δ dp U 2eδ − U 2eδ * − U e2θ − U e2 + U eVe = − w − (5) dx dx dx dx ρ ρ dx ( ( ) ) ( ) ( ) Usiamo al primo membro della (5) la regola di derivazione del prodotto di due funzioni: dδ dU e2 d d dδ τ δ dp U +δ − U 2eδ * − U e2θ −U e2 + U eVe = − w − ⇒ dx dx dx dx dx ρ ρ dx ( 2 e ) ( ) dU e2 d d τ δ dp δ − U 2eδ * − U e2θ + U eVe = − w − ⇒ Sostituendo Ve dalla (3) ⇒ dx dx dx ρ ρ dx ( ) ( ) dU e2 d d dU e τ δ dp ⎡d ⎤ δ − U 2eδ * − U e2θ + U e ⎢ U eδ * − δ − VS ⎥ = − w − (6) dx dx dx dx ρ ρ dx ⎣ dx ⎦ ( ) ( ) ( ) Usiamo al primo membro della (6) la regola di derivazione del quadrato di una funzione: Dimostrazione dU e d d d dU e τ δ dp − U 2eδ * − U e2θ + U e U eδ * −δU e − U eVS = − w − (6) ⇒ dx dx dx dx dx ρ ρ dx dU e d d d τ δ dp δU e − U 2eδ * − U e2θ + U e U eδ * − U eVS = − w − (7) dx dx dx dx ρ ρ dx ( 2 δU e ) ( ( ) ( ) ) ( ( ) ) Usiamo per il secondo termine al primo membro della (7) la regola di derivazione del prodotto di due funzioni: dU e d dU e d d τ δ dp −U e U eδ * − U eδ * − U e2θ +U e U eδ * − U eVS = − w − ⇒ dx dx dx dx dx ρ ρ dx dU e dU e d τ δ dp δU e − U eδ * − U e2θ − U eVS = − w − (8) dx dx dx ρ ρ dx δU e ( ) ( ( ) ( ) ) Se esprimiamo il gradiente di pressione al secondo membro mediante il Teorema di Bernoulli, cioè scriviamo: ⎛ U e2 ⎞ 1 dp dU e = −d ⎜ ⎟ = −U e ρ dx dx ⎝ 2 ⎠ allora la (8) diventa: Dimostrazione dU e dU e d τ dU e − U eδ * − U e2θ − U eVS = − w + δU e ⇒ dx dx dx ρ dx dU e d τ U eδ * + U e2θ + U eVS = w (C.V.D.) dx dx ρ ( δU e ( ) ) In assenza di aspirazione o soffiamento dello strato limite si ha: U eδ * dU e d τ + U e2θ = w dx dx ρ ( ) Una analoga dimostrazione può essere fornita integrando l’equazione lungo x dello strato limite nella direzione y. Infatti se si considera l’equazione di Navier-Stokes lungo x e si effettuano le semplificazioni di strato limite: ∂2u ∂2u 2 ∂x 2 ∂y e ∂p ≈0 ∂y si ottiene: ∂u ∂u 1 dp ∂2u u +v =− +ν 2 ∂x ∂y ρ dx ∂y Dimostrazione ∂u ∂u 1 dp ∂2u u +v =− + ν 2 ⇒ Applicando Bernoulli ⇒ ∂x ∂y ρ dx ∂y ∂u ∂u dU e ∂2u ∂u ∂u dU e µ ∂ 2u u +v = Ue + ν 2 ⇒u + v − Ue = ∂x ∂y dx ∂y ∂x ∂y dx ρ ∂y 2 (9) ⇒ ⎛ dU ⎞ ⇒ Sommo e sottraggo al primo membro della (9) ⎜ u e ⎟ ⇒ ⎝ dx ⎠ dU e ∂(U e − u) ∂(U e − u) µ ∂ 2u +v = Integrando lungo y ⇒ ( Ue − u ) + u dx ∂x ∂y ρ ∂y 2 δ δ δ δ dU e ∂(U e − u) ∂(U e − u) µ ∂2u ∫0 ( Ue − u ) dx dy + ∫0 u ∂x dy + ∫0 v ∂y dy = ∫0 ρ ∂y2 dy (10) Il primo integrale al primo membro della (10) e quello al secondo membro sono di facile interpretazione, infatti: δ ∫ ( Ue − u ) 0 δ dU e dU e dy = δ *U e dalla definizione di Displacement Thickness (11) dx dx y= δ µ ∂2u µ ⎡ ∂u ⎤ µ ⎡ ∂u ⎤ 1 dy = = − = τw ⎢ ∂y ⎥ ∫0 ρ ∂y2 ρ ⎢⎣ ∂y ⎥⎦ ρ ρ ⎣ ⎦ y= 0 y= 0 (12) Il terzo integrale al primo membro della (10) si può effettuare per parti: Dimostrazione δ ∂(U e − u) v ∫0 ∂y dy = ⎡⎣ v (Ue − u )⎤⎦ δ y= δ y= 0 δ − ∫ (U e − u) 0 ∂v dy ⇒ sostituendo l 'eq. di continuità ⇒ ∂y δ ∂(U e − u) ∂u ⇒ ∫v dy = − ∫ (U e − u) dy (13) ∂y ∂x 0 0 Inserendo nella (10) i risultati di (11), (12) e (13) si ottiene: δ dU e ∂u ⎤ τ ⎡ ∂(U e − u) δ Ue + ∫ ⎢u + (U e − u) ⎥ dy = w (14) dx ∂x ∂x ⎦ ρ 0 ⎣ * Poiché per l’integrale a primo membro vale la relazione: δ δ ∂ [ u(U e − u)] ∂u ⎤ d d ⎡ ∂(U e − u) u + (U − u) dy = dy = u(U − u) dy = U e2θ (15) e e ∫0 ⎢⎣ ∂x ∫ ∫ ⎥ ∂x ⎦ ∂x dx 0 dx 0 δ ( La relazione (14) diventa: dU e d(U e2θ ) τ w δ Ue + = (C.V.D.) dx dx ρ * )