円筒座標での連続の式とナビエ・ストークス方程式

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管内流れを議論する場合、円筒座標系で表した流体力学の基礎方程式が必要になる。 基本的には、これまでに導出した連続の式およびナビエ・ストークス方程式に対して、円筒座標系のナブラとラプラシアンを代入してやればよい。

円筒座標系での連続の式

連続の式は以下のように表すことが出来る(レイノルズの輸送定理と連続の式)。

∂ρ∂t+∇⋅(ρv)=0\begin{equation} % \label{eq:LandauLifshitzVol6_1.2} \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \bm{v}) = 0 \end{equation}

また、円筒座標系でのナブラ∇\nablaは次のように表すことができる(円筒座標・極座標のナブラとラプラシアン)。

∇=er∂∂r+eθ1r∂∂θ+ez∂∂z\begin{equation} % \label{eq:nabla} \nabla = \bm{e}_r \frac{\partial}{\partial r} + \bm{e}_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} + \bm{e}_z \frac{\partial}{\partial z} \end{equation}

円筒座標系での連続の式を得るには、(1)に(2)をそのまま代入してやればよい。

∂ρ∂t+1r∂∂r(rρvr)+1r∂∂θ(ρvθ)+∂∂z(ρvz)=0\begin{equation} \frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (r \rho v_r) + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} (\rho v_\theta) + \frac{\partial}{\partial z} (\rho v_z) = 0 \end{equation}

円筒座標系のナビエ・ストークス方程式

ナビエ・ストークス方程式は以下のように表すことができる(ナビエ・ストークス方程式の導出)。 ただし、ζ\zetaは体積粘性率(bulk viscosity)、η\etaせん断粘性率(shear viscosity) である。また今回は、重力などの流体質量に直接働く力はないものとする。

ρ∂v∂t+ρv⋅∇v=−∇p+ηΔv+(ζ+13η)∇(∇⋅v)\begin{equation} % \label{eq:navier-stokes} \rho \frac{\partial \bm{v}}{\partial t} + \rho \bm{v} \cdot \nabla \bm{v} = - \nabla p + \eta \Delta \bm{v} + \left( \zeta + \frac{1}{3} \eta \right) \nabla (\nabla \cdot \bm{v}) \end{equation}

また、円筒座標系でのラプラシアンは次のように表すことができた(円筒座標・極座標のナブラとラプラシアン)。

Δ=∂2∂r2+1r∂∂r+1r2∂2∂θ2+∂2∂z2\begin{equation} % \label{eq:laplacian} \Delta = \frac{\partial^2}{\partial r^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2} \end{equation}

よって(4)に(2)と(5)を代入すれば、円筒座標系でのナビエ・ストークス方程式が得られる。

ρ∂∂t(vrer+vθeθ+vzez)+ρ(vr∂∂r+vθr∂∂θ+vz∂∂z)(vrer+vθeθ+vzez)=−(er∂p∂r+eθ1r∂p∂θ+ez∂p∂z)+η(∂2∂r2+1r∂∂r+1r2∂2∂θ2+∂2∂z2)(vrer+vθeθ+vzez)+(ζ+13η)(er∂∂r+eθ1r∂∂θ+ez∂∂z)(∂vr∂r+vrr+1r∂vθ∂θ+∂vz∂z)\begin{align} &\rho \frac{\partial}{\partial t} \left( v_r \bm{e}_r + v_\theta \bm{e}_\theta + v_z \bm{e}_z \right) + \rho \left( v_r \frac{\partial}{\partial r} + \frac{v_\theta}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} + v_z \frac{\partial}{\partial z} \right) \left( v_r \bm{e}_r + v_\theta \bm{e}_\theta + v_z \bm{e}_z \right) \notag \\ &= - \left( \bm{e}_r \frac{\partial p}{\partial r} + \bm{e}_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial p}{\partial \theta} + \bm{e}_z \frac{\partial p}{\partial z} \right) \notag \\ &\quad+ \eta \left( \frac{\partial^2}{\partial r^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial \theta^2} + \frac{\partial^2}{\partial z^2} \right) \left( v_r \bm{e}_r + v_\theta \bm{e}_\theta + v_z \bm{e}_z \right) \notag \\ &\quad+ \left( \zeta + \frac{1}{3} \eta \right) \left( \bm{e}_r \frac{\partial}{\partial r} + \bm{e}_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} + \bm{e}_z \frac{\partial}{\partial z} \right) \left( \frac{\partial v_r}{\partial r} + \frac{v_r}{r} + \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \frac{\partial v_z}{\partial z} \right) \end{align}

ただし、粘性項に含まれる(∇⋅v)(\nabla \cdot \bm{v})については以下のように展開した。

∇⋅v=(er∂∂r+eθ1r∂∂θ+ez∂∂z)⋅(vrer+vθeθ+vzez)=er⋅∂∂r(vrer)+er⋅∂∂r(vθeθ)+ez⋅∂∂r(vzez)+eθ⋅1r∂∂θ(vrer)+eθ⋅1r∂∂θ(vθeθ)+eθ⋅1r∂∂θ(vzez)+ez⋅∂∂z(vrer)+ez⋅∂∂z(vθeθ)+ez⋅∂∂z(vzez)=∂vr∂r(er⋅er)+∂vθ∂r(er⋅eθ)+∂vz∂r(er⋅ez)+eθ⋅1r(er∂vr∂θ+vreθ)+eθ⋅1r(eθ∂vθ∂θ−vθer)+1r∂vz∂θ(eθ⋅ez)+∂vr∂r(ez⋅er)+∂vθ∂z(ez⋅eθ)+∂vz∂z(ez⋅ez)=∂vr∂r+vrr+1r∂vθ∂θ+∂vz∂z\begin{align} &\nabla \cdot \bm{v} = \left( \bm{e}_r \frac{\partial}{\partial r} + \bm{e}_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} + \bm{e}_z \frac{\partial}{\partial z} \right) \cdot \left( v_r \bm{e}_r + v_\theta \bm{e}_\theta + v_z \bm{e}_z \right) \notag \\ &= \bm{e}_r \cdot \frac{\partial}{\partial r} (v_r \bm{e}_r) + \bm{e}_r \cdot \frac{\partial}{\partial r} (v_\theta \bm{e}_\theta) + \bm{e}_z \cdot \frac{\partial}{\partial r} (v_z \bm{e}_z) \notag \\ &\quad+ \bm{e}_\theta \cdot \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} (v_r \bm{e}_r) + \bm{e}_\theta \cdot \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} (v_\theta \bm{e}_\theta) + \bm{e}_\theta \cdot \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} (v_z \bm{e}_z) \notag \\ &\quad+ \bm{e}_z \cdot \frac{\partial}{\partial z} (v_r \bm{e}_r) + \bm{e}_z \cdot \frac{\partial}{\partial z} (v_\theta \bm{e}_\theta) + \bm{e}_z \cdot \frac{\partial}{\partial z} (v_z \bm{e}_z) \notag \\ &=\frac{\partial v_r}{\partial r} (\bm{e}_r \cdot \bm{e}_r) + \frac{\partial v_\theta}{\partial r} (\bm{e}_r \cdot \bm{e}_\theta) + \frac{\partial v_z}{\partial r} (\bm{e}_r \cdot \bm{e}_z) \notag \\ &\quad+ \bm{e}_\theta \cdot \frac{1}{r} \left( \bm{e}_r \frac{\partial v_r}{\partial \theta} + v_r \bm{e}_\theta \right) + \bm{e}_\theta \cdot \frac{1}{r} \left( \bm{e}_\theta \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} - v_\theta \bm{e}_r \right) + \frac{1}{r} \frac{\partial v_z}{\partial \theta} (\bm{e}_\theta \cdot \bm{e}_z) \notag \\ &\quad+ \frac{\partial v_r}{\partial r} (\bm{e}_z \cdot \bm{e}_r) + \frac{\partial v_\theta}{\partial z} (\bm{e}_z \cdot \bm{e}_\theta) + \frac{\partial v_z}{\partial z} (\bm{e}_z \cdot \bm{e}_z) \notag \\ &=\frac{\partial v_r}{\partial r} + \frac{v_r}{r} + \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \frac{\partial v_z}{\partial z} \end{align}

これをrr成分、θ\theta成分、zz成分に分けて書き下すと以下のようになる。

ρ∂vr∂t+ρvr∂vr∂r+ρvθ1r∂vr∂θ−ρvθ2r+ρvz∂vr∂z=−∂p∂r+ηr∂∂r(r∂vr∂r)+ηr2∂2vr∂θ2−2ηr2∂vθ∂θ−ηvrr2+η∂2vr∂z2+(ζ+13η)∂∂r(∂vr∂r+vrr+1r∂vθ∂θ+∂vz∂z)\begin{align} &\rho \frac{\partial v_r}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_r}{\partial r} + \rho v_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial v_r}{\partial \theta} - \rho \frac{v_\theta^2}{r} + \rho v_z \frac{\partial v_r}{\partial z} \notag \\ &\quad= - \frac{\partial p}{\partial r} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_r}{\partial r} \right) + \frac{\eta}{r^2} \frac{\partial^2 v_r}{\partial \theta^2} - \frac{2\eta}{r^2} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} - \eta\frac{v_r}{r^2} + \eta \frac{\partial^2 v_r}{\partial z^2} \notag \\ &\hspace{21pt}+ \left( \zeta + \frac{1}{3} \eta \right) \frac{\partial}{\partial r} \left( \frac{\partial v_r}{\partial r} + \frac{v_r}{r} + \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \frac{\partial v_z}{\partial z} \right) \end{align} ρ∂vθ∂t+ρvr∂vθ∂r+ρvθ1r∂vθ∂θ+ρvθvrr+ρvz∂vθ∂z=−1r∂p∂θ+ηr∂∂r(r∂vθ∂r)+ηr2∂2vθ∂θ2+2ηr2∂vr∂θ−ηvθr2+η∂2vθ∂z2+(ζ+13η)1r∂∂θ(∂vr∂r+vrr+1r∂vθ∂θ+∂vz∂z)\begin{align} & \rho \frac{\partial v_\theta}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_\theta}{\partial r} + \rho v_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \rho \frac{v_\theta v_r}{r} + \rho v_z \frac{\partial v_\theta}{\partial z} \notag \\ &\quad= - \frac{1}{r} \frac{\partial p}{\partial \theta} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_\theta}{\partial r} \right) + \frac{\eta}{r^2} \frac{\partial^2 v_\theta}{\partial \theta^2} + \frac{2\eta}{r^2} \frac{\partial v_r}{\partial \theta} - \eta \frac{v_\theta}{r^2} + \eta \frac{\partial^2 v_\theta}{\partial z^2}\notag \\ &\hspace{21pt}+ \left( \zeta + \frac{1}{3} \eta \right) \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial \theta} \left( \frac{\partial v_r}{\partial r} + \frac{v_r}{r} + \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \frac{\partial v_z}{\partial z} \right) \end{align} ρ∂vz∂t+ρvr∂vz∂r+ρvθ1r∂vz∂θ+ρvz∂vz∂z=−∂p∂z+ηr∂∂r(r∂vz∂r)+ηr2∂2vz∂θ2+η∂2vz∂z2+(ζ+13η)∂∂z(∂vr∂r+vrr+1r∂vθ∂θ+∂vz∂z)\begin{align} & \rho \frac{\partial v_z}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_z}{\partial r} + \rho v_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial v_z}{\partial \theta} + \rho v_z \frac{\partial v_z}{\partial z} \notag \\ &\quad= - \frac{\partial p}{\partial z} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_z}{\partial r} \right) + \frac{\eta}{r^2} \frac{\partial^2 v_z}{\partial \theta^2} + \eta \frac{\partial^2 v_z}{\partial z^2} \notag \\ &\hspace{21pt}+ \left( \zeta + \frac{1}{3} \eta \right) \frac{\partial}{\partial z} \left( \frac{\partial v_r}{\partial r} + \frac{v_r}{r} + \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \frac{\partial v_z}{\partial z} \right) \end{align}

軸対称・非圧縮などの場合について

ナビエ・ストークス方程式をそのままの形で扱うのは難しいので、扱う問題に応じて適切な簡略化がしばしば行われる。 ここでは、いくつかの仮定をおいた場合、連続の式とナビエ・ストークス方程式がどう変形されるかを確認しておく。

旋回のない軸対称問題vθ=0v_\theta = 0であれば、連続の式とナビエ・ストークス方程式は以下のように簡略化できる。

∂ρ∂t+1r∂∂r(rρvr)+∂∂z(ρvz)=0\begin{equation} \frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (r \rho v_r) + \frac{\partial}{\partial z} (\rho v_z) = 0 \end{equation} ρ∂vr∂t+ρvr∂vr∂r+ρvz∂vr∂z=−∂p∂r+ηr∂∂r(r∂vr∂r)−ηvrr2+η∂2vr∂z2+(ζ+13η)∂∂r(∂vr∂r+vrr+∂vz∂z)\begin{align} \rho \frac{\partial v_r}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_r}{\partial r} + \rho v_z \frac{\partial v_r}{\partial z} =& - \frac{\partial p}{\partial r} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_r}{\partial r} \right) - \eta \frac{v_r}{r^2} + \eta \frac{\partial^2 v_r}{\partial z^2} \notag \\ &+ \left( \zeta + \frac{1}{3} \eta \right) \frac{\partial}{\partial r} \left( \frac{\partial v_r}{\partial r} + \frac{v_r}{r} + \frac{\partial v_z}{\partial z} \right) \end{align} ρ∂vz∂t+ρvr∂vz∂r+ρvz∂vz∂z=−∂p∂z+ηr∂∂r(r∂vz∂r)+η∂2vz∂z2+(ζ+13η)∂∂z(∂vr∂r+vrr+∂vz∂z)\begin{align} \rho \frac{\partial v_z}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_z}{\partial r} + \rho v_z \frac{\partial v_z}{\partial z} =& - \frac{\partial p}{\partial z} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_z}{\partial r} \right) + \eta \frac{\partial^2 v_z}{\partial z^2} \notag \\ &+ \left( \zeta + \frac{1}{3} \eta \right) \frac{\partial}{\partial z} \left( \frac{\partial v_r}{\partial r} + \frac{v_r}{r} + \frac{\partial v_z}{\partial z} \right) \end{align}

さらに半径方向にも一様である場合、一次元流れとして以下のように簡略化できる。

∂ρ∂t+∂∂z(ρvz)=0\begin{equation} \frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{\partial}{\partial z} (\rho v_z) = 0 \end{equation} ρ∂vz∂t+ρvz∂vz∂z=−∂p∂z+(ζ+43η)∂2vz∂z2\begin{equation} \rho \frac{\partial v_z}{\partial t} + \rho v_z \frac{\partial v_z}{\partial z} = - \frac{\partial p}{\partial z} + \left( \zeta + \frac{4}{3} \eta \right) \frac{\partial^2 v_z}{\partial z^2} \end{equation}

圧縮性を考慮しないρ=const\rho = \mathrm{const}の場合、連続の式とナビエ・ストークス方程式は以下のように表される。 このとき、粘性係数はη\etaのみとなり、動粘性係数ν=η/ρ\nu = \eta/\rhoを用いることも多い。

1r∂∂r(rvr)+1r∂vθ∂θ+∂vz∂z=0\begin{equation} \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (r v_r) + \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \frac{\partial v_z}{\partial z} = 0 \end{equation} ρ∂vr∂t+ρvr∂vr∂r+ρvθ1r∂vr∂θ−ρvθ2r+ρvz∂vr∂z=−∂p∂r+ηr∂∂r(r∂vr∂r)+ηr2∂2vr∂θ2−2ηr2∂vθ∂θ−ηvrr2+η∂2vr∂z2\begin{align} &\rho \frac{\partial v_r}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_r}{\partial r} + \rho v_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial v_r}{\partial \theta} - \rho \frac{v_\theta^2}{r} + \rho v_z \frac{\partial v_r}{\partial z} \notag \\ &\quad= - \frac{\partial p}{\partial r} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_r}{\partial r} \right) + \frac{\eta}{r^2} \frac{\partial^2 v_r}{\partial \theta^2} - \frac{2\eta}{r^2} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} - \eta\frac{v_r}{r^2} + \eta \frac{\partial^2 v_r}{\partial z^2} \end{align} ρ∂vθ∂t+ρvr∂vθ∂r+ρvθ1r∂vθ∂θ+ρvθvrr+ρvz∂vθ∂z=−1r∂p∂θ+ηr∂∂r(r∂vθ∂r)+ηr2∂2vθ∂θ2+2ηr2∂vr∂θ−ηvθr2+η∂2vθ∂z2\begin{align} & \rho \frac{\partial v_\theta}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_\theta}{\partial r} + \rho v_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial v_\theta}{\partial \theta} + \rho \frac{v_\theta v_r}{r} + \rho v_z \frac{\partial v_\theta}{\partial z} \notag \\ &\quad= - \frac{1}{r} \frac{\partial p}{\partial \theta} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_\theta}{\partial r} \right) + \frac{\eta}{r^2} \frac{\partial^2 v_\theta}{\partial \theta^2} + \frac{2\eta}{r^2} \frac{\partial v_r}{\partial \theta} - \eta \frac{v_\theta}{r^2} + \eta \frac{\partial^2 v_\theta}{\partial z^2} \end{align} ρ∂vz∂t+ρvr∂vz∂r+ρvθ1r∂vz∂θ+ρvz∂vz∂z=−∂p∂z+ηr∂∂r(r∂vz∂r)+ηr2∂2vz∂θ2+η∂2vz∂z2\begin{align} & \rho \frac{\partial v_z}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_z}{\partial r} + \rho v_\theta \frac{1}{r} \frac{\partial v_z}{\partial \theta} + \rho v_z \frac{\partial v_z}{\partial z} \notag \\ &\quad= - \frac{\partial p}{\partial z} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_z}{\partial r} \right) + \frac{\eta}{r^2} \frac{\partial^2 v_z}{\partial \theta^2} + \eta \frac{\partial^2 v_z}{\partial z^2} \end{align}

旋回のない軸対称問題vθ=0v_\theta = 0であれば、以下のように簡略化できる。

1r∂∂r(rvr)+∂vz∂z=0\begin{equation} \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (r v_r) + \frac{\partial v_z}{\partial z} = 0 \end{equation} ρ∂vr∂t+ρvr∂vr∂r+ρvz∂vr∂z=−∂p∂r+ηr∂∂r(r∂vr∂r)−ηvrr2+η∂2vr∂z2\begin{align} &\rho \frac{\partial v_r}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_r}{\partial r} + \rho v_z \frac{\partial v_r}{\partial z} = - \frac{\partial p}{\partial r} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_r}{\partial r} \right) - \eta\frac{v_r}{r^2} + \eta \frac{\partial^2 v_r}{\partial z^2} \end{align} ρ∂vz∂t+ρvr∂vz∂r+ρvz∂vz∂z=−∂p∂z+ηr∂∂r(r∂vz∂r)+η∂2vz∂z2\begin{align} \rho \frac{\partial v_z}{\partial t} + \rho v_r \frac{\partial v_z}{\partial r} + \rho v_z \frac{\partial v_z}{\partial z} = - \frac{\partial p}{\partial z} + \frac{\eta}{r} \frac{\partial}{\partial r} \left( r \frac{\partial v_z}{\partial r} \right) + \eta \frac{\partial^2 v_z}{\partial z^2} \end{align}

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