例題集

流体の動力学(6) オイラーの運動方程式とベルヌーイの定理

適用レベル   難易度: ★★★
図に示すように,流線$s(t)$に沿った長さ$ds$,断面積$A$の微小な円柱形の流体要素を考える. 図中の$\rho(s,t)$は密度,$p(s,t)$は圧力,$V(s,t)$は流速,$z(s,t)$は鉛直方向座標,$t$は時間,$\theta$は水平面と$v$のなす角を表す. 流体の粘性によるせん断力は働かないもの(非粘性流体)とする. %=image:/media/2015/02/03/142289475276285800.png: $(1)$ この流体要素に働く流線方向の外力$F$を記述せよ. $(2)$ 流線方向のニュートンの運動方程式を立てて,オイラーの運動方程式を導け. $(3)$ 非圧縮性の定常流れを仮定して,オイラーの運動方程式からベルヌーイの定理を導け.
$(1)$ 流体要素に働く流線方向の全圧力$fp$は,断面①に働く全圧力と断面②に働く全圧力の和として求まる.(偏導関数とテーラー展開) \[\begin{align} f_p &=pA+\left\{-\left(p+\frac{\partial p}{\partial s} ds \right)A \right\}\\ &=-A\frac{\partial p}{\partial s} ds \end{align}\] 一方,流体要素に働く重力$mg=\rho gAds$の流線方向成分$f_w$は三角関数より次のように求まる. \[\begin{align} f_w &=-\rho g Ads \cdot \sin\theta\\ &=-\rho gAds\cdot\frac{\partial z}{\partial s} \end{align}\] したがって,流線方向の外力$F$は, \[\begin{align} F &=f_p+f_w\\ &=-A\frac{\partial p}{\partial s}ds-\rho gAds\cdot\frac{\partial z}{\partial s} \ \ \cdots(1)' \end{align}\] $(2)$ 加速度$a$の定義より, \[\begin{align} a &=\frac{dV(s,t)}{dt}\\ &=\frac{\partial V}{\partial s}\cdot\frac{\partial s}{\partial t}+\frac{\partial V}{\partial t}\hspace{10mm} \left(合成関数の偏微分\right)\\ \\ &=V\frac{\partial V}{\partial s}+\frac{\partial V}{\partial t} \hspace{10mm} \left( \therefore V=\frac{ds}{dt} \ 速度の定義\right) \\ &=\frac{1}{2}\cdot \frac{\partial \left(V^2\right)}{\partial s}+\frac{\partial V}{\partial t} \ \ \cdots(2)' \hspace{10mm} \left(\therefore \frac{\partial \left(V^2\right)}{\partial s}=2V\frac{\partial V}{\partial s} \ 合成関数の微分\right) \end{align} \] ニュートンの運動方程式より, \[ a=\frac{F}{m} \] 上式に式$(1)'$,式$(2)'$を代入し,$m=\rho Ads$として, \[ \frac{1}{2}\cdot \frac{\partial \left(V^2\right)}{\partial s}+\frac{\partial V}{\partial t}=\frac{-A\frac{\partial p}{\partial s}ds-\rho Ads\frac{\partial z}{\partial s}}{\rho Ads} \] 整理してオイラーの運動方程式が求まる. \[ \frac{1}{\rho}\cdot\frac{\partial \left(V^2 \right)}{\partial s}+\frac{1}{2}\cdot \frac{\partial \left(V^2\right)}{\partial s}+\frac{\partial V}{\partial t}+g\frac{\partial z}{\partial s}=0 \] $(3)$ 定常流れを仮定すると, \[\frac{\partial V}{\partial t}=0 ,および\frac{\partial p}{\partial t}=0,\frac{\partial z}{\partial t}=0 \] である. 非圧縮性流体であることから$\rho=$一定として,オイラーの運動方程式の両辺を変数$s$で積分して, \[ \frac{1}{\rho}\int\frac{\partial p}{\partial s}ds+\frac{1}{2}\int\frac{\partial \left(V^2\right)}{\partial s}ds+g\int\frac{\partial z}{\partial s}=\int 0ds\\ \frac{1}{\rho}\int dp+\frac{1}{2}\int d\left(V^2\right)+g\int dz=C \hspace{10mm} \left(Cは積分定数\right) \] 最終的にベルヌーイの定理を得る. \[ \frac{p}{\rho}+\frac{V^2}{2}+gz=C \]