Primjeri jednostavnih tokova mikropolarnog fluida
Sažetak
Model mikropolarnog fluida predstavlja važnu generalizaciju poznatih Navier-Stokesovih jednadžbi koja uzima u obzir mikrostrukturu samog fluida. Cilj ovog rada prezentirati je nekoliko primjera jednostavnih tokova mikropolarnog fluida za koje je moguće odrediti egzaktno rješenje.Ključne riječi: mikropolarni fluid, mikrorotacija, jednostavni tokovi, egzaktna rješenja.
1Uvod
Među mnogim ne-newtonovskim modelima, model mikropolarnog fluida, predložen sredinom šezdesetih godina prošlog stoljeća u članku
Slijedom gore navedenog, tok inkompresibilnog mikropolarnog fluida opisan je složenim sustavom parcijalnih diferencijalnih jednadžbi koje su još uz to i nelinearne prirode zbog efekata inercije (vidjeti sustav (
2Osnovne jednadžbe
U nastavku se bavimo stacionarnim tokom fluida, tj. pretpostavljamo da nepoznate funkcije (brzina \textbf{u}, tlak p i mikrorotacija \textbf{w}) ne ovise o vremenu već samo o prostornim varijablama (x,y,z)\in\textbf{R}^{3}. Uvjet inkompresibilnosti znači da promatramo fluide s konstantnom gustoćom mase. Uzimajući u obzir specifične zakone konstitucije za mikropolarni fluid, zakoni sačuvanja mase, linearnog i angularnog momenta u odsustvu vanjskih sila i momenta daju:
(1)
-(\nu +\nu_{r})\Delta\textbf{u} + (\textbf{u}\cdot\nabla)\textbf{u} + \nabla p=2\nu_{r}\text{rot}\textbf{w}\,,
(2)
\text{div}\textbf{u}=0\,,
(3)
-(c_{a}+c_{d})\Delta\textbf{w} + I(\textbf{u}\cdot\nabla)\textbf{w} - (c_{o}+c_{d}-c_{a})\nabla\text{div}\textbf{w}+4\nu_{r}\textbf{w} = 2\nu_{r}\text{rot}\textbf{u}\,.
\begin{eqnarray*} &&\text{div}\textbf{v}=\frac{\partial v_{1}}{\partial x}+\frac{\partial v_{2}}{\partial y}+\frac{\partial v_{3}}{\partial z},\;\; \Delta\textbf{v}=\frac{\partial^{2} \textbf{v}}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2} \textbf{v}}{\partial y^{2}}+\frac{\partial^{2} \textbf{v}}{\partial z^{2}},\,\,\nabla\phi=\frac{\partial\phi}{\partial x}\;\textbf{i}+\frac{\partial\phi}{\partial y}\;\textbf{j}+\frac{\partial\phi}{\partial z}\;\textbf{k},\\[0.2cm] &&\text{rot}\textbf{v}=\left(\frac{\partial v_{3}}{\partial y}-\frac{\partial v_{2}}{\partial z}\right)\;\textbf{i}+\left(\frac{\partial v_{1}}{\partial z}-\frac{\partial v_{3}}{\partial x}\right)\;\textbf{j}+\left(\frac{\partial v_{2}}{\partial x}-\frac{\partial v_{1}}{\partial y}\right)\;\textbf{k},\end{eqnarray*}
za vektorsku funkciju \textbf{v}=v_{1}\,\textbf{i}+v_{2}\,\textbf{j}+v_{3}\,\textbf{k} i skalarnu funkciju \phi. Detaljan izvod sustava (
3Primjeri jednostavnih tokova
3.1Poiseuilleov tok između paralelnih ravnina
Promotrimo tok mikropolarnog fluida između paralelnih ravnina danih sa
\Gamma_{i} = \lbrace (x,y,z)\in\mathbb{R}^{3} : y = (-1)^{i}h \rbrace , \quad i=1,2\,.
Pretpostavljamo da je tok generiran konstantnim gradijentom tlaka \frac{dp}{dx} u smjeru osi x. U skladu s tim, uzimamo da je tlak dan sa p=p(x) te pretpostavljamo da brzina ima dominantnu longitudinalnu komponentu koja ovisi o transverzalnoj varijabli, tj. \textbf{u}=(u(y),0,0). U tom slučaju, možemo uzeti da mikrorotacija ima samo komponentu u smjeru osi z koja, također, ovisi samo o y (vidjeti
\textbf{u}=(u(y),0,0)\,,\,\,\,\,\textbf{w}=(0,0,w(y))\,,\,\,\,\,\, p=p(x)\,,
nakon uvrštavanja u sustav (
(4)
(\nu+\nu_{r})\frac{d^{2}u}{dy^{2}} + 2\nu_{r}\frac{dw}{dy} = \frac{dp}{dx}\,,
(5)
(c_{a}+c_{d})\frac{d^{2}w}{dy^{2}} - 2\nu_{r}(2w+\frac{du}{dy})=0\,.
(6)
u = 0 \,\,\, \text{za} \,\,\, y = \pm h\,,
(7)
w = 0 \,\,\, \text{za} \,\,\, y = \pm h\,.
(8)
\frac{du}{dy}=-\,\frac{2\nu_{r}}{\nu+\nu_{r}} w+\frac{1}{\nu+\nu_{r}}\frac{dp}{dx}y.
(9)
\frac{d^{2}w}{dy^{2}}-\frac{4\nu}{c_{a}+c_{d}}\frac{\nu_{r}}{\nu+\nu_{r}} w=\frac{1}{c_{a}+c_{d}}\frac{2\nu_{r}}{\nu+\nu_{r}}\frac{dp}{dx}y\,.
(10)
w(y)=\frac{y}{h^{2}}-\frac{1}{h}\frac{\text{sh}(\lambda \frac{y}{h})}{\text{sh}(\lambda)}\,,
(11)
u(y)=1-\bigl( \frac{y}{h} \bigr)^{2}-\frac{2\nu_{r}}{\nu+\nu_{r}}\frac{1}{\lambda}\frac{\text{ch}(\lambda)-\text{ch}(\lambda\frac{y}{h})}{\text{sh}(\lambda)}\,.
(12)
\lambda^{2}=\frac{4\nu}{c_{a}+c_{d}}\frac{\nu_{r}}{\nu+\nu_{r}}h^{2}\,.
Zapišimo sada rješenje (
u^{*}=\frac{u}{u_{0}},\,\,\,w^{*}=\frac{wh}{u_{0}},\,\,\,Y=\frac{y}{h},\,\,\,N=\left(\frac{\nu_{r}}{\nu+\nu_{r}}\right)^{1/2},\,\,\,l=\left(\frac{c_{a}+c_{d}}{4\nu}\right)^{1/2},\,\,\, L=\frac{h}{l}.
Tada rješenje (
(13)
w^{*}(Y)=Y-\frac{\text{sh}(NLY)}{\text{sh}(NL)}\,,
(14)
u^{*}(Y)=1-Y^{2}-2\frac{N}{L}\frac{\text{ch}(NL)-\text{ch}(NLY)}{\text{sh}(NL)}\,.
Za razliku od klasičnog no-slip rubnog uvjeta (
(15)
w=-\,\frac{\alpha}{2}\frac{du}{dy}\,\,\,\text{za}\,\,\,\: y=\pm h\,\,\,\,\,\,(\alpha=\text{const.}).
(16)
w(y)=\frac{y}{h^{2}}-\frac{(1-\alpha)(\nu+\nu_{r})}{\nu+\nu_{r}(1-\alpha)}\frac{1}{h}\frac{\text{sh}(\lambda\frac{y}{h})}{\text{sh}(\lambda)}\,,
(17)
u(y)=1-(\frac{y}{h})^{2}+2\frac{\nu_{r}(1-\alpha)}{\nu+\nu_{r}(1-\alpha)}\frac{1}{\lambda}\frac{\text{ch}(\lambda \frac{y}{h})-\text{ch}(\lambda)}{\text{sh}(\lambda)}\,.
3.2Couetteov tok između paralelnih ravnina
Promotrimo sada tok mikropolarnog fluida između paralelnih ravnina
\Gamma_{i}=\lbrace (x,y,z)\in\mathbb{R}^{3} : y=(1-i)h\rbrace \,,\,\,\, i=1,2
u smjeru osi x, generiranog gibanjem ravnine \Gamma_{2} konstantnom brzinom V. U skladu s tim, ovdje uzimamo da je tlak dan sa p=p(y), dok kao i u prethodnom primjeru, pretpostavljamo da su brzina i mikrotacija oblika
\textbf{u}=(u(y),0,0)\,,\,\,\,\,\textbf{w}=(0,0,w(y))\,.
Na taj način sustav (
(18)
(\nu+\nu_{r})\frac{d^{2}u}{dy^{2}} + 2\nu_{r}\frac{dw}{dy} = 0\,,
(19)
(c_{a}+c_{d})\frac{d^{2}w}{dy^{2}} - 2\nu_{r}(2w+\frac{du}{dy})=0\,.
(20)
u(0) =0\,,\,\,\,\,\,\, u(h)=V\,,
(21)
w = -\,\frac{\alpha}{2}\frac{du}{dy}\,\,\,\text{za}\,\,\,y=0,h\,.
Slično kao u odjeljku 3.1, u prilici smo riješiti sustav (
(22)
u(y)=\frac{V}{K} \left\lbrace \frac{1-\text{ch}(\lambda)}{\text{sh}(\lambda)}\left(1-\text{ch}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)\right)-\text{sh}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)+\lambda\frac{\nu+\nu_{r}(1-\alpha)}{\nu_{r}(1-\alpha)}\frac{y}{h} \right\rbrace ,\,\,\,
(23)
w(y)=\frac{V\lambda}{2hK}\frac{\nu+\nu_{r}}{\nu_{r}}\left\lbrace \text{ch}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)+\frac{1-\text{ch}(\lambda)}{\text{sh}(\lambda)}\text{sh}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)-\frac{\nu+\nu_{r}(1-\alpha)}{(\nu+\nu_{r})(1-\alpha)}\right\rbrace ,\,\,\,\,\,\,
(24)
K=\lambda\frac{\nu+\nu_{r}(1-\alpha)}{\nu_{r}(1-\alpha)}+2\frac{1-\text{ch}(\lambda)}{\text{sh}(\lambda)}\,.
u^{*}=\frac{u}{V},\,\,\,w^{*}=\frac{wh}{V},\,\,\,Y=\frac{y}{h},\,\,\,L=h \left( \frac{4\nu}{c_{a}+c_{d}} \right)^{1/2},\,\,\,N=\left( \frac{\nu_{r}}{\nu+\nu_{r}} \right)^{1/2},
dolazimo do
u^{*}(Y)=\frac{1}{\frac{L}{N}+2\frac{1-\text{ch}(NL)}{\text{sh}(NL)}} \left\lbrace \frac{1-\text{ch}(NL)}{\text{sh}(NL)}(1-\text{ch}(NLY))-\text{sh}(NLY)+\frac{L}{N}Y \right\rbrace ,\,\,\,\,
w^{*}(Y)=\frac{\frac{L}{N}}{2\left( \frac{L}{N}+2\frac{1-\text{ch}(NL)}{\text{sh}(NL)} \right)} \left\lbrace \text{ch}(NLY)-\frac{1-\text{ch}(NL)}{\text{sh}(NL)}\text{sh}(NLY)-1 \right\rbrace .
Za vizualizacije profila brzine i mikrorotacije vidjeti
3.3Tok tankog sloja fluida između paralelnih ploča
Promatramo tok mikropolarnog fluida između paralelnih ploča
\Gamma_{i} =\lbrace (x,y,z)\in\mathbb{R}^{3}: -a\lt x\lt a, \: y=(i-1)h(t) \rbrace \,,\,\,\,i=1,2\,,
pri čemu se ploča \Gamma_{2} giba prema \Gamma_{1} konstantnom brzinom V_{0}. Fluid napušta domenu između ploča u dva smjera, kroz otvorenu granicu x=a i x=-a. Uz pretpostavku da je udaljenost između ploča dovoljno mala, tok se može opisati na sljedeći način (vidjeti npr.
(25)
\frac{\partial p}{\partial x}=(\nu+\nu_{r})\frac{\partial^{2}u}{\partial y^{2}} + 2\nu_{r}\frac{\partial w}{\partial y}\,,
(26)
\frac{\partial p}{\partial y}=0\,\,\,\Rightarrow\,\,\,p=p(x)\,,
(27)
\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y}=0\,,
(28)
0=(c_{a}+c_{d})\frac{\partial^{2}w}{\partial y^{2}}-2\nu_{r}(2w+\frac{\partial u}{\partial y})\,,
\textbf{u}=(u(x,y),v(x,y),0)\,,\,\,\,\textbf{w}=(0,0,w(x,y))\,.
Sustavu (
(29)
u=0 \,\,\,\, \text{za} \,\,\,\,y=0,h\,,
(30)
v=0\,\,\,\,\text{za}\,\,\,\, y=0\,,\,\,\,\,\,\,v= V_{0}\,\,\,\,\text{za}\,\,\,\,y=h\,,
(31)
w=0\,\,\,\, \text{za}\,\,\,\,y=0,h\,,
(32)
p=0\,\,\,\,\text{za}\,\,\,\, x=\pm a\,.
(33)
\begin{eqnarray} &u(x,y)=&\frac{y}{2\nu}\frac{dp}{dx}(x)(y-h)\\[0.2cm] &&+\frac{Nlh}{2\nu}\frac{dp}{dx}(x) \left\lbrace \text{sh}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)-\frac{(\text{ch}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)-1)(\text{ch}(\lambda)+1)}{\text{sh}(\lambda)} \right\rbrace , \end{eqnarray}
(34)
\begin{eqnarray} &w(x,y)=&\frac{h}{2\nu}\frac{dp}{dx}(x) \left\lbrace \frac{\text{sh}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)}{\text{sh}(\lambda)}-\frac{y}{h} \right\rbrace \\[0.2cm] &&-\frac{h\,\text{sh}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)}{4\nu}\frac{dp}{dx}(x)\left\lbrace \frac{\text{ch}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)-1}{\text{sh}\left(\lambda\frac{y}{h}\right)} - \frac{\text{ch}(\lambda)-1}{\text{sh}(\lambda)} \right\rbrace \,, \end{eqnarray}
\int_{0}^{h} \frac{\partial u}{\partial x}(x,y) \,dy= - \int_{0}^{h} \frac{\partial v}{\partial y}(x,y) \,dy=-V_{0}\,,
iz čega zaključujemo
(35)
\begin{eqnarray} &&\frac{\partial }{\partial x} \int_{0}^{h} u(x,y) \,dy= -V_{0}\,. \end{eqnarray}
\frac{d^{2}p}{dx^{2}}(x)=\frac{\nu V_{0}}{h^{3} \lbrace \frac{1}{12}+\frac{l^{2}}{h^{2}}-\frac{Nl}{2h}\text{cth}\left(\frac{\lambda}{2}\right) \rbrace }\,.
Jednostavnim integriranjem te uzimajući u obzir rubne uvjete (
(36)
\begin{eqnarray} &&p(x)=\frac{\nu V_{0}(x^{2}-a^{2})}{2h^{3} \left[ \frac{1}{12}+\frac{l^{2}}{h^{2}}-\frac{Nl}{2h}\text{cth}\left(\frac{\lambda}{2}\right) \right]}\,. \end{eqnarray}
4Zaključak
U ovom radu prezentiran je model mikropolarnog fluida koji uspješno opisuje tok mnogih ne-newtonovskih fluida i, kao takav, predstavlja važnu generalizaciju klasičnih Navier-Stokesovih jednadžbi. Od posebnog značaja u literaturi je primjena mikropolarnog fluida u modeliranju krvotoka. Premda je odgovarajući matematički model dan vrlo složenim nelinearnim sustavom diferencijalnih jednadžbi, u nekim situacijama moguće je odrediti egzaktno rješenje koristeći tehnike rješavanja običnih diferencijalnih jednadžbi. Nadamo se da će zainteresiranom čitatelju tema biti zanimljiva, s ciljem popularizacije područja matematičkog modeliranja u mehanici fluida.
Bibliografija
