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Mécanique des fluides 2014 Mécanique des fluides Appliquée 2014

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Mécanique des fluides 2014

Mécanique des fluides Appliquée 2014

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Session 1 Mass, species balances!1.  Solving problem methodology 2.  Continuum medium 3.  Flow types 4.  Material derivative 5.  Transport theorems 6.  Mass balance 7.  Mixture of gases 8.  Species balances

Lecture 1, 30/09/2014

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State !equation!

Constitutive !law! Models!

Approximations! Experimental !data!

Numerical !methods!

Solving problems : methodology!

mass balance!momentum balance!energy balance!species balance!

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Continuum medium!

V!

P!δ"V!

δV

ρ

O

δm/δV

δVl

L System characteristic size!

Knudsen !number!Kn = lpm

L<<1

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Local ETL!

ρ = lim δmδVδV→δVl

Density!

v(r, t) =

mivii=1

N

mii=1

N

Velocity!

v(r,t) = lim δpδmδV→δVl

Fluid particle P!

P!

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n

δF

δAV

δF = t(n)δA

t(n) = limδFδAδA→δAl

Stress vector!

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Flow types!

Incompressible! Compressible!Steady! Unsteady!Laminar ! Turbulent!Single phase! Multiphase flow!One-dimensional! Multidimensional!Non-reactive! Reactive!Ideal! Viscous!Single species! Multi species!

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Low Mach flow approximation!

M =vc

Mach !number!

In absence of heat transfer (adiabatic flows)!

Δρρ

≈O(M 2 )

With heat transfer (non adiabatic flows)!

Iso-volume flow!

Flow velocity!

Speed of sound!

∇⋅ v ≈ 0

M < 0.3

M < 0.3

v⋅ ∇phρv⋅ ∇h

≈O M 2( )Hydrodynamic pressure gradient can be neglected in energy budget but not in momentum balance!

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Laminar !plume!

Heated !cylinder!

Natural convection flow is induced by buoyancy forces (Archimedes)!

Example : buoyancy flow – Natural convection

ρ = ρ T( )Isobaric flow!

Pressure changes can be neglected compared to temperature changes!

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ΔTHeated cylinder!

Boundary layer

Laminar plume

Transition

Turbulent plume

Natural convection due to buoyancy forces!

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Laminar Turbulent Motion is smooth Regular Deterministic!!

Motion is fluctuating Irregular !Random!

Laminar

Transition

Turbulent

Cigarette

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Flow around a winglet with increasing attack angle!

LAMINAR! TURBULENT!Increase angle of incidence!

Flow separation - Instabilities !

movie!

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Reversible flow! Irreversible flow!movie! movie!

Re =ρvLµ

Re < 1! Re > 1!

Reynolds !number!

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Re

turbulent!

Flow regimes in a pipe!

laminar!

2500

transition!

2000 3000

movie!

Re = ρvdµ

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Re 2500 2000 3000

turbulent!laminar! transition!

Flow regimes in a pipe! Re = ρvdµ

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Re

Turbulent Laminar

2500

transition

2000 3000

movie!

Flow regimes in a pipe! Re = ρvdµ

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Steady! Unsteady!Time independent!Permanent!

Time dependent!Non stationary!

A turbulent flow is steady in the mean if mean variables are time independent!

A turbulent flow is said unsteady if mean variables explicitly depend on time!

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Two-phase jet flow submitted to harmonic modulations!movie!

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Trajectories of fluid particles in waves. Depth is small compared to the wavelength!

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Cylinder within a flow !

Steady !! Unsteady!

Re <<1

Re =10

Re =100Steady or unsteadiness depends also on the flow velocity!

movie! movie!

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Single phase! Two phase flows!

Liquid injection at high pressure!

Vortices created around a delta wing!

Voir cours « Ecoulements diphasiques »!

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dφdt

=∂φ∂t

+ v ⋅ ∇φ

t

t + δtx

x + δx

Material derivative!Of a fluid particle P at X at t=0 as a function of space x coordinates!

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The flow is steady but fluid particles accelerate between the pipe inlet and outlet!

ve

vs

dv dt = v⋅ ∇v

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Inlet flux! Outlet flux!

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n

dA €

ddt

f (x,t)dV =∂f∂tVa ( t )

∫Va ( t )∫ dV + fw ⋅ndA

Aa (t )∫

Va (t)

w

Transport Theorems!

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Transport Theorems!

Am n

Vm

Material volume!Useful for proof!!

Fixed volume!Useful for applications!!

A n

V

v €

ddt

φdV =Vm

∫ ddt

φdV + φvA∫

V∫ ⋅ ndA

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∂ρ∂t

+∇ ⋅ ρv = 0

Local mass balance!

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Global mass balance!

0 =ddt

ρdV =Vm

∫ ddt

ρdVV∫ + ρv⋅ ndA

A∫

Material volume!

Mass remains constant in a material volume!

ddt

ρdVV∫ = − ρv⋅ ndA

A∫

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∂m∂t

= ρ1v1 ⋅N1A1 − ρ2v2 ⋅N2A2

Uniform flow at the INLET and OUTLET!

A1

A2

N1€

N2

Mass balance – 1D inlets/outlets!

N : unit normal vector oriented in the flow direction!

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Steady flow!

Mass balance – Steady in/out!

m = ρ1v1 ⋅N1 dA∫ = ρ2v2 ⋅N2 dA∫

A1

A2

N1€

N2

The mass flowrate !remains constant through the system!

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Mixture of species!

Mole fraction! Mass fraction!

Concentration! Density!

Partial pressure (perfect gas)!

Species j!

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Mixture of species!

Molar mass!

Concentration! Density!

Pressure (perfect gas)!

N species!

J/kg/K!

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∂ρ j

∂t+∇⋅ρ jv j = !ω j

Local species balance!

Species j density in the mixture!

Mass production rate of species j [kg/m3/s]!

Species j velocity!

Mixture velocity! Diffusion velocity of

species j with respect to the mixture velocity!

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Diffusion velocity!Stefan-Maxwell equations (in the case when diffusion is only controlled by gradients of molar fractions)!

Dj Diffusion coefficient of !species j in the mixture!

Fick law!Approximate solution of Stefan-Maxwell equations!