Pharos UniversityME 253 Fluid Mechanics 2
Revision for Mid-Term Exam
Dr. A. Shibl
Streamlines
Streamline is a curve that iseverywhere tangent to theinstantaneous local velocityvector.
Consider an arc length
     must be parallel to the localvelocity vector
Geometric arguments results inthe equation for a streamline
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Kinematics of Fluid Flow
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Stream Function forTwo-DimensionalIncompressible Flow
Two-Dimensional Flow
Stream Function 
Stream Function forTwo-DimensionalIncompressible Flow
Cylindrical Coordinates
Stream Function (r,)
Is this a possible flow field
Given the y-component Find the X- Component of the velocity,
Determine the vorticity of flow field described byIs this flow irrotational?
Momentum Equation
Newtonian Fluid: Navier–Stokes Equations
Example exact solutionPoiseuille Flow
Example exact solutionFully Developed Couette Flow
For the given geometry and BC’s, calculate the velocity andpressure fields, and estimate the shear force per unit areaacting on the bottom plate
Step 1:  Geometry, dimensions, and properties
Fully Developed Couette Flow
Step 2:  Assumptions and BC’s
Assumptions
1.Plates are infinite in x and z
2.Flow is steady, /t = 0
3.Parallel flow, V=0
4.Incompressible, Newtonian, laminar, constant properties
5.No pressure gradient
6.2D, W=0, /z = 0
7.Gravity acts in the -z direction,
Boundary conditions
1.Bottom plate (y=0) : u=0, v=0, w=0
2.Top plate (y=h) : u=V, v=0, w=0
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Fully Developed Couette Flow
Step 3:  Simplify
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3
6
Note:  these numbers referto the assumptions on theprevious slide
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This means the flow is “fully developed”or not changing in the direction of flow
Continuity
X-momentum
2
Cont.
3
6
5
7
Cont.
6
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Fully Developed Couette Flow
Step 3:  Simplify, cont.
Y-momentum
2,3
3
3
3,6
7
3
3
3
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Z-momentum
2,6
6
6
6
7
6
6
6
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Fully Developed Couette Flow
Step 4:  Integrate
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Z-momentum
X-momentum
integrate
integrate
integrate
Fully Developed Couette Flow
Step 5:  Apply BC’s
y=0, u=0=C1(0) + C2    C= 0
y=h, u=V=C1h    C= V/h
This gives
For pressure, no explicit BC, therefore C3 can remain anarbitrary constant (recall only P appears in NSE).
Let p = p0 at z = 0 (C3 renamed p0)
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1.Hydrostatic pressure
2.Pressure acts independently of flow
Fully Developed Couette Flow
Step 6:  Verify solution by back-substituting intodifferential equations
Given the solution (u,v,w)=(Vy/h, 0, 0)
Continuity is satisfied
0 + 0 + 0 = 0
X-momentum is satisfied
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Fully Developed Couette Flow
Finally, calculate shear force on bottom plate
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Shear force per unit area acting on the wall
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Note that w is equal and opposite to the
shear stress acting on the fluid yx(Newton’s third law).
Momentum Equation
Special Case: Euler’s Equation
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Inviscid Flow for Steady incompressibleInviscid Flow for Steady incompressible
For steady incompressible flow, the equation reduces  to 
    where  = constant.
Integrate from a reference  at  along any streamline =C :
21
 Two-Dimensional Potential Flows Two-Dimensional Potential Flows
Therefore, there exists stream function      such that
 
   in the Cartesian coordinate and
 
 
 in the cylindrical coordinate
Potential Flow
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 Two-Dimensional Potential Flows
The potential function     and the stream function   are conjugatepair of an analytical function in complex variable analysis.
The constant potential line and the constant streamline areorthogonal, i.e.,
                                                          and
 
 to imply that                 .
Stream and Potential Functions
If a stream function exists for the velocity fieldu = a(x2 -- y2) & v = - 2axy  & w = 0
    Find it, plot it, and interpret it.
If a velocity potential exists for this velocity field.Find it, and plot it.
Summary
Elementary Potential Flow Solutions
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Uniform Stream
Uy
Ux
Source/Sink
m
mln(r)
Vortex
-Kln(r)
K
CH006-29
CH006-31
CH006-32
CH006-34
CH006-35
CH006-36