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Hydroinformatik II [1ex] ''Prozesssimulation und ... · Zeitplan: Hydroinformatik II Datum V Thema...

Date post: 09-Jun-2020
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Hydroinformatik II ”Prozesssimulation und Systemanalyse” BHYWI-08-03 @ 2020 Grundlagen der Hydromechanik Olaf Kolditz *Helmholtz Centre for Environmental Research – UFZ 1 Technische Universität Dresden – TUDD 2 Centre for Advanced Water Research – CAWR 08.05.2020 - Dresden BHYWI-08-03 @ 2020 | Grundlagen der Hydromechanik // 08.05.2020 1 / 20
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Hydroinformatik II

”Prozesssimulation und Systemanalyse”

BHYWI-08-03 @ 2020

Grundlagen der Hydromechanik

Olaf Kolditz

*Helmholtz Centre for Environmental Research – UFZ1Technische Universität Dresden – TUDD

2Centre for Advanced Water Research – CAWR

08.05.2020 - Dresden

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Zeitplan: Hydroinformatik II

Datum V Thema .17.04.2020 00 Einführung in GoToMeeting (Web-Conferencing)17.04.2020 01 Einführung in die Lehrveranstaltung24.04.2020 02 Grundlagen: Kontinuumsmechanik08.05.2020 03 Grundlagen: Hydromechanik15.05.2020 04 Grundlagen: Partielle Partialgleichungen22.05.2020 05 Installation: Python, Qt C++29.05.2020 06 Programmierung: Einführung in Python05.06.2020 07 Numerik: Finite-Differenzen-Methode (explizit)12.06.2020 08 Numerik: Finite-Differenzen-Methode (implizit)19.06.2020 09 Anwendung: Diffusion (Übung)26.06.2020 10 Anwendung: Gerinnehydraulik (Theorie)03.07.2020 11 Anwendung: Gerinnehydraulik (Übung)10.07.2020 12 Anwendung: Grundwassermodellierung (daten-

basierte Methoden)17.07.2020 13 Beleg: Besprechung zur Vorbereitung

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Hausaufgabe vom 24.04.2020

Aufgabe: Was ist v · ∇ψ?

v = (vx, vy, vz) (1)∇ψ = (∂xψ, ∂yψ, ∂zψ) (2)· = Skalarprodukt (3)

(vx, vy, vz) ·

∂xψ∂yψ∂zψ

= vx∂xψ + vy∂yψ + vz∂zψ (4)

= vx∂ψ

∂x+ vy

∂ψ

∂y+ vz

∂ψ

∂z(5)

Ist die Gleichung (5) eine vektorielle oder skalare Größe ?

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Konzept

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Inhalte

I ErhaltungsgrößenI MassenerhaltungI FluidmassenerhaltungI DiffusionI ImpulserhaltungI SpannungenI FluiddruckI Strömungsprobleme

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General Balance Equation

Lagrange Euler

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General Balance Equation

ddt

∫Ωψ dΩ =

∂t

∫Ωψ dΩ +

∮∂Ω

Φψ · dS (6)

=∂

∂t

∫Ωψ dΩ +

∫Ω∇ ·ΦψdΩ

lim dΩ→ 0

dψdt

=∂ψ

∂t+∇ ·Φψ (7)

=∂ψ

∂t+∇ · (vψ)−∇ · (Dψ∇ψ)

= Qψ

HA 02#2020: Komponentenschreibweise ∇ · (vψ), ∇ · (Dψ∇ψ)

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Conservation Quantities (1.1.2)

The amount of a quantity in a defined volume Ω is given by

Ψ =

∫Ω

ψdΩ(t) (8)

where Ψ is an extensive conservation quantity (i.e. mass,momentum, energy) and ψ is the corresponding intensiveconservation quantity such as mass density ρ, momentum densityρv or energy density e.

Extensive quantity Symbol Intensive quantity SymbolMass M Mass density ρLinear momentum m Linear momentum density ρvEnergy E Energy density e = ρi + 1

2ρv2

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(Phase) Mass Conservation

dψdt

=∂ψ

∂t+∇ · (vψ)−∇ · (Dψ∇ψ) = Qψ (9)

The differential equation of mass conservation in divergence formbecomes

dρdt

=∂ρ

∂t+∇ · (vρ) = 0 (10)

Partial differentiation of the above equation gives

dρdt

=∂ρ

∂t+ v · ∇ρ+ ρ∇ · v = 0 (11)

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(Phase) Mass Conservation

Using the material (or convective) derivative the massconservation equation can be rewritten as

∂ρ

∂t= −ρ∇ · v (12)

Note, above convective form of mass conservation equationbecomes zero only for incompressible flows, i.e.

∂ρ

∂t= 0 (13)

requires divergence-free flow.

∇ · v = 0 (14)

From eqn. (11) results that the above expression is the continuityequation for a homogeneous fluid (ρ = const).

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Divergenzfreie Strömung

∇ · v = 0 (15)

Links:I https://de.wikipedia.org/wiki/StromfunktionI https://www.ingenieurkurse.de/

stroemungslehre/ebene-stroemungen/quelle-und-senke-divergenz.html

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Conservation Quantities (1.1.2)

The amount of a quantity in a defined volume Ω is given by

Ψ =

∫Ω

ψdΩ(t) (16)

where Ψ is an extensive conservation quantity (i.e. mass,momentum, energy) and ψ is the corresponding intensiveconservation quantity such as mass density ρ, momentum densityρv or energy density e.

Extensive quantity Symbol Intensive quantity SymbolMass M Mass density ρLinear momentum m Linear momentum density ρvEnergy E Energy density e = ρi + 1

2ρv2

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Momentum Conservation

ψ = ρv

∂t

∫Ω

ρvdΩ +

∮∂Ω

Φm · dS =

∫Ω

ρfdΩ (17)

Flux term: The advective momentum flux is defined as

Φm = (ρv)⊗ v = (ρv)v (18)

F =

∫Ω

ρfdΩ =

∫Ω

ρ(fe + fi)dΩ =

∫Ω

ρfedΩ

︸ ︷︷ ︸External forces

+

∮∂Ω

σ : dS

︸ ︷︷ ︸Internal forces

(19)

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Momentum Conservation

Substituting now flux and source terms of momentum we obtain

∂t

∫Ω

ρvdΩ +

∮∂Ω

ρv(v · dS) =

∫Ω

ρfedΩ +

∮∂Ω

σ : dS (20)

Applying the Gauss-Ostrogradskian theorem to the surfaceintegrals ∮

∂Ω

ρv(v · dS) =

∫Ω

∇ · (ρvv) dΩ

∮∂Ω

σ : dS =

∫Ω

∇ · σ dΩ (21)

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Momentum Conservation

The differential form of the momentum conservation law is then

∂t(ρv) +∇ · (ρvv) = ρfe +∇ · σ (22)

The above equation is now extended by partial integration

ρ∂v∂t

+ v∂ρ

∂t+ (ρv) · ∇v + v∇ · (ρv) (23)

= ρ[∂v∂t

+ v · ∇v] + v[∂ρ

∂t+∇ · (ρv)]

= ρfe +∇ · σ

Using the mass conservation equation (10) and dividing by ρ weobtain

∂v∂t

+ (v · ∇)v = fe +1ρ∇ · σ (24)

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Momentum Conservation: Stress Tensor

σ = −pI+ τ , τ = ν∇v (25)

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Momentum Conservation: Stress Tensor

τ = ν∇v (26)

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Fluid Momentum Balance

∂v∂t

+ (v · ∇)v = fe +1ρ∇ · σ (27)

In index notation the above vector equation is written as

∂u∂t

+ u∂u∂x

+ v∂u∂y

+ w∂u∂z

=1ρ

(∂σxx∂x

+∂σxy∂y

+∂σxz∂z

)

∂v∂t

+ u∂v∂x

+ v∂v∂y

+ w∂v∂z

=1ρ

(∂σyx∂x

+∂σyy∂y

+∂σyz∂z

)

∂w∂t

+ u∂w∂x

+ v∂w∂y

+ w∂w∂z

= g+1ρ

(∂σzx∂x

+∂σzy∂y

+∂σzz∂z

)

(28)

with u = vx, v = vy,w = vz and fe = g.

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Flow Equations - Systematic

Stress Tensor

σ = −pI+ τ (29)

Navier-Stokes Equation

∂v∂t

+ (v · ∇)v = fe − 1ρ∇p+ ν∆v (30)

Euler Equation∂v∂t

+ (v · ∇)v = fe − 1ρ∇p (31)

Stokes Equation∂v∂t

= fe − 1ρ∇p+ ν∆v (32)

Darcy Equations

0 = fe − 1ρ∇p+ ν∆v (33)

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(Component) Mass Conservation

ψ = ρk = Ck (34)

dCkdt

=∂Ck∂t

+∇ · (vCk)−∇ · (Dk∇Ck) = Qk (35)

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