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.
\[
\frac{p}{\rho}+\frac{V^2}{2}+gz=C
\]