background image

Konderla P.  Mechanika ośrodków ciągłych 

________________________________________________________________________________________ 

 

113

XIII.  MECHANIKA PŁYNÓW 

 

1.  Wprowadzenie. Podstawowe pojęcia

6

 

Mechanika płynów zajmuje się opisem zjawisk statycznych i dynamicznych w płynach i gazach 
jak również interakcji tych ośrodków z ciałami stałymi. 

Płyny i gazy charakteryzują się brakiem sztywności postaciowej w spoczynku, wykazuje tą 
sztywność jedynie w ruchu. Można to określić również następująco: płyny i gazy charakteryzują 
się brakiem sztywności postaciowej względem aktualnej deformacji a wykazują  ją względem 
historii deformacji. Płyny i gazy różnią się znacznie ściśliwością (sztywnością objętościową), w 
przypadku płynów jest ona mała i często przyjmuje się, że ciecze są nieściśliwe. 

Gęstość płynu 

Gęstością płynu w punkcie M(x, y, z) w chwili t nazywa się granicę ilorazu 

 

V

m

V

Δ

Δ

=

ρ

Δ

0

lim

      

(13.1) 

Gęstość gazu i cieczy zależna jest od ciśnienia i temperatury. Charakter tych zmian jest różny dla 
tych ośrodków jak to pokazano na rys. 13.1. 

Ściśliwość płynu 

Ściśliwością  płynu nazywamy charakterystykę odkształcenia objętościowego płynu pod wpły-
wem zmiany ciśnienia. Niech płyn zajmuje objętość V i poddany jest ciśnieniu izotropowemu p
Pod wpływem zmiany ciśnienia o dp objętość zmieniła się o dV, wówczas współczynnik ściśli-
wości
 definiuje się wzorem 

 

p

V

d

d

1

=

ξ

 

      

(13.2) 

Odwrotność tego współczynnika nazywa się modułem sprężystości płynu 

                                                 
 

6

 wg [9] Jeżowska-Kabsch K., Szwczyk H.:  Mechanika płynów 

 

Rys. 13.1. Zmiany gęstości gazów i cieczy w zależności od (a) ciśnienia (b) temperatury 

background image

Kurs na Studiach Doktoranckich Politechniki Wrocławskiej                      (wersja: styczeń 2007) 
________________________________________________________________________________________ 

 

114

 

V

p

V

E

d

d

1 −

=

ξ

=

      

(13.3) 

Korzystając z definicji gęstości masy współczynnik  ściśliwości można wyrazić również przez 
gęstość 

 

p

d

d

1

ρ

ρ

=

ξ

       

(13.4) 

Rozszerzalność cieplna 

Rozszerzalność cieplna płynu charakteryzuje jego podatność na odkształcenie objętościowe przy 
zmianie temperatury. Miarą tej odkształcalności jest współczynnik rozszerzalności cieplnej, wy-
rażający względną zmianę objętości przy zmianie temperatury o 1 K 

 

T

V

V

Δ

Δ

=

β

1

,       

(13.5) 

lub przy 

0

ΔT

 

 

T

V

d

d

1

=

β

       

(13.6) 

Lepkość 

Istotną cechą mechaniczną  płynów jest lepkość charakteryzująca się zdolnością przenoszenie 
przez ciecz naprężeń stycznych w warunkach ruchu. W przypadku zmiennej prędkości sąsiadu-
jących warstewek płynu pomiędzy warstewkami występuje tarcie którego miarą  są naprężenia 
styczne proporcjonalne do prędkości odkształcenia postaciowego (rys. 13.2) 

 

n

v

d

d

μ

=

τ

       

(13.7) 

gdzie  

μ − jest dynamicznym współczynnikiem lepkości (jednostki: 

s

Pa

). 

Obok dynamicznego współczynnika lepkości używa się pojęcia  kinetycznego współczynnika 
lepkości
 (jednostki: m

2

/s) 

 

Rys. 13.2. Przepływ płynu lepkiego przy ścianie: (a) rozkład prędkości,  

(b) odkształcenie elementu płynu 

background image

Konderla P.  Mechanika ośrodków ciągłych 

________________________________________________________________________________________ 

 

115

 

ρ

μ

=

ν

.        

(13.8) 

Współczynniki lepkości zależą głównie od temperatury, co ilustruje rys. 13.3. 

Rodzaje przepływów 
a)  Przepływ laminarny i turbulentny 

Przepływ jest laminarny (uwarstwiony), gdy elementy płynu poruszają się w warstwach. W 
przepływie turbulentnym (burzliwym), oprócz ruchu głównego (w kierunku przepływu), wy-
stępują fluktuacje parametrów hydrodynamicznych (prędkości, ciśnienia).  
Reynolds (1883) badał przepływ płynu w kołowej rurze i analizował przejścia przepływu la-
minarnego w turbulentny. Zauważył, że na charakter przepływu wpływają następujące para-
metry: prędkość średnia v, gęstość 

ρ

 i lepkość 

μ

 cieczy oraz średnica rury d. Stwierdził, że 

kryterium decydującym o rodzaju ruchu jest bezwymiarowa liczba 

μ

ρ

=

/

Re

vd

 utworzona z 

tych parametrów i nazwana później liczbą Reynoldsa. Ta liczba pozwala scharakteryzować 
przepływ w przewodzie kołowym. Jeżeli Re < 2300, przepływ pozostaje laminarny, a zatem 
są tłumione ewentualne lokalne niestabilności przepływu.  

b)  Przepływ ustalony i nieustalony 

Przepływ jest ustalony, jeśli wszystkie parametry ruchu są niezależne od czasu. Oznacza to, 
że ciśnienie, prędkość, gęstość przepływu ustalonego w dowolnym punkcie przestrzeni nie 
zmieniają się w czasie. 
W przepływie nieustalonym parametry ruchu zależą od czasu. Do tej kategorii przepływów 
należą wszystkie zjawiska rozprzestrzeniania się fal w płynie oraz przepływy w atmosferze. 
Również przepływy turbulentne są w swej istocie przepływami nieustalonymi, ale przyjmuje 
się, że ruch turbulentny jest quasi-ustalony, gdy tzw. średnie czasowe obliczone w ustalonym 
punkcie przestrzeni nie zmieniają się z upływem czasu. 

c)  Przepływ jednowymiarowy 

Przepływ określa się jako jednowymiarowy, gdy w przekroju poprzecznym strugi charaktery-
zujące go parametry są stałe. Oznacza to, że wartości tych parametrów zależą tylko od jednej 
współrzędnej położenia. Koncepcja przepływu jednowymiarowego, umożliwiająca uprosz-
czenie wielu opisów przepływu, jest koncepcją bardzo użyteczną w zagadnieniach technicz-

 

 

Rys. 13.3. Zależność kinematycznego współczynnika lepkości wody i powietrza 

 od temperatury

 

background image

Kurs na Studiach Doktoranckich Politechniki Wrocławskiej                      (wersja: styczeń 2007) 
________________________________________________________________________________________ 

 

116

nych. 
Przykłady przepływu przez rurę o przekroju kołowym traktowane jako jednowymiarowe po-
kazano na rys. 13.4. 

d)  Warstwa przyścienna 

Analizując przepływ płynu w rurze, należy zwrócić uwagę na charakterystyczny rozkład 
prędkości w dowolnym przekroju poprzecznym (rys. 13.4c). Na skutek działania sił przyle-
gania (adhezji) prędkości na powierzchni ściany są równe zeru. Oddalając się od ściany w 
głąb strugi prędkości te gwałtownie rosną, a w części środkowej zmieniają się one łagodnie. 
W analizowanym przepływie można wydzielić dwa charakterystyczne obszary: 
− obszar warstw przyściennych, charakteryzujący się dużym gradientem prędkości, 
− obszar leżący poza warstwami przyściennymi, w którym gradient prędkości jest zdecydo-
wanie mniejszy. 
 

2.  Kinematyka płynów

7

 

Rozmaitości materialne i przestrzenne 

Rozmaitościami nazywamy linie, powierzchnie lub objętości ośrodka ciągłego – w tym przypad-
ku płynu. Jeżeli rozmaitości w trakcie analizowanego procesu składają się z tych samych punk-
tów materialnych to takie rozmaitości nazywane są  rozmaitościami materialnymi, jeżeli nato-
miast składają się z tych samych punktów przestrzennych to nazywane są rozmaitościami prze-
strzennymi

Przykładowo powierzchnie materialne można zapisać w postaci  

 

3

,

2

,

1

),

,

(

=

=

α

α

α

m

l

f

X

    

(13.9) 

gdzie  lm  są parametrami powierzchni. 

                                                 
 

7

 wg [1] Rymarz Cz.: Mechanika ośrodków ciągłych. 

 

 

Rys. 13.4. Rozkłady prędkości w przepływie przez przewód kołowy: (a) równomierny,  

(b) paraboliczny, (c) turbulentny 

background image

Konderla P.  Mechanika ośrodków ciągłych 

________________________________________________________________________________________ 

 

117

Równanie powierzchni (13.9) można również zapisać w postaci 

 

0

)

,

,

(

3

2

1

=

X

X

X

F

 

w zapisie Lagrange’a   

(13.10) 

 

0

)

,

,

,

(

3

2

1

=

t

x

x

x

f

 

w zapisie Eulera   

 

(13.11) 

Liniowe rozmaitości charakterystyczne 
a)  Linie prądu 

Linia prądu jest to linia styczna do wektora prędkości. Linia ta jest krzywą przestrzenną i nie 
jest związana z określoną cząstką materialną. Linię prądu wyznaczamy z równania 

 

s

d

d

v

r

=

       

(13.12) 

gdzie  linia prądu 

i

i

t

s

x

t

s

g

r

)

,

(

)

,

(

=

, wektor prędkości )

,

,

,

(

3

2

1

t

x

x

x

v

,  czas  t  traktowany jest 

jako parametr. 
Linie prądu można traktować jako zbiór krzywych wyznaczonych dla określonego czasu t
które przedstawiają chwilowy obraz poruszania się cząstek materialnych jak to pokazano na 
rys. 13.5. 

 
b)  Tory cząstek 

Tor cząstki X

A

 jest zbiorem punktów położenia tej cząstki w różnych chwilach czasu, co za-

pisujemy w postaci 

 

)

,

(

)

,

(

t

t

A

A

X

x

X

r

=

     

(13.13) 

 

Rys. 13.5. Linia prądu 

 

 

Rys. 13.6.  Powierzchnie i rurki prądowe 

 

background image

Kurs na Studiach Doktoranckich Politechniki Wrocławskiej                      (wersja: styczeń 2007) 
________________________________________________________________________________________ 

 

118

Tor linii wyznaczamy całkując równanie 

 

)

,

,

,

(

d

d

3

2

1

t

x

x

x

v

t

x

i

i

=

     

(13.14) 

gdzie czas   t  jest zmienną po której całkujemy, natomiast warunkiem początkowym jest po-
łożenie cząstki X

A

 w chwili początkowej t

0

c)  Linia wysnuta 

Jest to zbiór położeń cząsteczek w chwili t, które w czasie 

t

τ

 „przechodziły” przez okre-

ślony punkt przestrzenny x

a

. Wizualnie będzie to barwna linia, jeżeli w sposób ciągły bę-

dziemy w określony punkt przestrzenny wprowadzali barwne krople płynu. 
Jeżeli wyróżnionym punktem przestrzeni będzie x

a

 to wówczas w chwili 

τ przez ten punkt 

„przechodzi” cząsteczka X

τ

, którą określa wyrażenie 

 

)

,

(

a

1

τ

τ

x

X

= χ

      

(13.15) 

W chwili 

t cząsteczka ta znajdzie się w położeniu 

 

)

),

,

(

(

)

),

(

(

)

,

(

a

1

t

t

t

τ

=

τ

=

τ

τ

x

X

X

x

χ

χ

χ

  dla  

t

τ

. (13.16) 

W powyższych wyrażeniach 

t występuje jako parametr. 

d)  Linia wirowa 

Jest to linia pola wirowości, która jest linią styczną do wektora wirowości 

 

v

w

rot

2

1

=

.       

(13.17) 

Linie prądu, tory cząstek i linie wysnute na ogół nie pokrywają się. Interesujące z punktu widze-
nia analizy jest porównanie linii prądu i toru cząstki. Aby linie te pokrywały się musi być speł-
niona relacja (tw. Helmholtza-Żurawskiego) 

 

0

=

×

t

v

v

       

(13.18) 

stąd wynika, że linie te pokrywają się, jeżeli 

–  linie prądu są liniami prostymi, bo wówczas  

0

=

×

=

v

v

v

v

C

C

t

,  

–  ruch jest stacjonarny, bo wówczas 

0

=

t

v

 

 

Rys. 13.7. Ruch stacjonarny 

background image

Konderla P.  Mechanika ośrodków ciągłych 

________________________________________________________________________________________ 

 

119

Przykład 

Wyznaczyć linię prądu, tor cząstki i linię wysnutą dla cząstki, która w chwili 

t

0

=0 zajmowała 

punkt = (1,1), a pole prędkości płynu jest opisane wektorem prędkości: 

 

+

=

=

0

)

1

(

2

1

3

2

1

x

t

x

v

v

v

α

v

.     

 

A) Linia prądu 

Równanie różniczkowe linii prądu: 

 

2

2

1

1

d

d

),

1

(

d

d

x

s

x

t

x

s

x

=

+

=

α

    

Po scałkowaniu dla 

t=const otrzymujemy rozwiązanie z dokładnością do stałych całkowania 

 

s

s

t

C

x

C

x

e

,

e

2

2

)

1

(

1

1

=

=

+

α

    

Wstawiając warunek brzegowy otrzymujemy równanie linii prądu:  

 

s

s

t

x

x

e

,

e

2

)

1

(

1

=

=

α

+

    

a po wstawieniu warunku początkowego 

t=t

0

=0 

 

2

1

2

1

e

,

e

x

x

x

x

s

s

=

=

=

.  

 

 

 

B) Tor cząstki 

Równanie różniczkowe (4) 

 

2

2

1

1

d

d

),

1

(

d

d

x

t

x

t

x

t

x

=

+

=

α

Po scałkowaniu względem czasu 

 

t

t

t

C

x

C

x

e

,

e

2

2

)

2

/

1

(

1

1

=

=

+

α

Po uwzględnieniu warunku brzegowego i eliminacji zmiennej t otrzymujemy kolejno 

 

( )

)

ln

2

1

1

(

2

1

2

)

2

/

1

(

1

2

e

,

e

x

t

t

t

x

x

x

x

α

α

+

+

=

=

=

C) Linia wysnuta 

Punktem startu jest tor cząstki 

 

t

t

t

C

x

C

x

e

,

e

2

2

)

2

/

1

(

1

1

=

=

+

α

Zakładamy, że w chwili 

τ cząstka zajmowała położenie x=(1,1), co oznacza, że 

 

τ

ατ

τ

τ

ατ

τ

+

+

=

=

=

=

e

,

e

e

1

,

e

1

2

)

2

/

1

(

1

2

)

2

/

1

(

1

C

C

C

C

 

i ostatecznie podstawiając stałe całkowania mamy 

background image

Kurs na Studiach Doktoranckich Politechniki Wrocławskiej                      (wersja: styczeń 2007) 
________________________________________________________________________________________ 

 

120

 

τ

ατ

τ

α

+

+

=

=

t

t

t

x

x

e

,

e

2

)

2

/

1

(

)

2

/

1

(

1

Komentarz 

Rysunki wszystkich linii pokazano na rys. 13.8. Widoczne jest, że linie te nie pokrywają się. 
Jedynie dla ruchu stacjonarnego, kiedy 

α=0 (prędkość nie zależy od czasu) wszystkie linie po-

krywają się i mają równanie x

1

=x

2

 

3.  Modele płynów 

Model płynu definiuje układ 15-cie równań: 
a)  równanie zachowania masy 

 

( )

0

div

=

ρ

+

ρ

v

t

,  

(1  równanie) 

 

 

(13.19) 

b)  równanie zachowania pędu (równania ruchu) 

 

0

D

D

|

=

⎟⎟

⎜⎜

ρ

+

t

v

f

t

i

i

j

ij

,  

(3  równania) 

 

(13.20) 

c)  zasada 

zachowania 

energii     

 

q

h

d

t

t

e

i

i

ij

ij

ρ

+

=

ρ

|

D

D

, (1 

równanie)  

(13.21) 

d)  równanie konstytutywne płynu 

 

m

l

k

m

k

l

k

l

k

l

d

d

a

d

a

a

p

t

2

1

0

)

)

,

(

(

+

+

δ

+

θ

ρ

=

,  

(6  równań) (13.22) 

e)  równanie przepływu ciepła (równanie Fouriera)  

 

 

 

j

ij

i

k

h

,

θ

=

.   (3 

równania)    

(13.23) 

f)  postulowana definicja energii wewnętrznej zależna od typu zagadnienia (1 równ.)       (13.24)  

W powyższych równaniach występuje 15 niewiadomych pól: 

–  gęstość 

ρ, 

 

Rys. 13.8. 

background image

Konderla P.  Mechanika ośrodków ciągłych 

________________________________________________________________________________________ 

 

121

–  funkcja gęstości energii wewnętrznej  e
–  wektor prędkości  v

i

–  wektor strumienia ciepła  h

i

–  symetryczny tensor naprężenia  t

ij

,  

–  temperatura  

θ. 

Wielkościami zadanymi są 

–  gęstość sił zewnętrznych  f

i

–  stałe materiałowe płynu  a

0

, a

1

, a

2

–  współczynniki przewodnictwa cieplnego  k

ij

–  źródła ciepła  q

 

Różne modele płynu otrzymujemy przez odpowiedni dobór stałych materiałowych płynu: 
a)  Płyn idealnie nielepki –    a

= a

1

= a

2

=0  

 

k

l

k

l

p

t

δ

θ

ρ

)

,

(

=

      

 

(13.25) 

 dla 

 

ρθ

θ

ρ

R

p

=

)

,

(

 –  gaz idealny Clapeyrona, 

 dla 

 

β

ρ

θ

ρ

C

p

=

)

,

(

 –  ciecz politropowa, 

b)  Płyn lepki niutonowski  –    a

2

=0 

 

k

l

k

l

k

l

d

a

a

p

t

1

0

)

)

,

(

(

+

+

=

δ

θ

ρ

,      

(13.26) 

c)  Płyn nieniutonowski 

 

m

l

k

m

k

l

k

l

k

l

d

d

a

d

a

a

p

t

2

1

0

)

)

,

(

(

+

+

+

=

δ

θ

ρ

,  

   

(13.27) 

 

4.  Zagadnienie graniczne mechaniki płynów 

Zagadnienie graniczne to: 

–  układ 15-tu równań ewolucyjnych (19)÷(24), 
–  oraz warunki początkowe i brzegowe. 

Warunki początkowe 

Ponieważ w równaniach ewolucyjnych występują jedynie pierwsze pochodne po czasie, w 
takim razie warunki początkowe określają jedynie poszukiwane wielkości w chwili począt-
kowej, i tak 

 

)

(

)

,

(

),

(

)

,

(

),

(

)

,

(

0

0

0

0

0

0

x

x

x

x

x

x

e

t

e

v

t

v

t

i

i

=

=

ρ

=

ρ

. (13.28) 

Funkcje 

)

(

),

(

),

(

0

0

0

x

x

x

e

v

i

ρ

muszą być zadane w chwili początkowej. 

Warunki brzegowe 

Warunki brzegowe polegają na podaniu poszukiwanych funkcji na wybranych rozmaito-
ściach (liniach, powierzchniach) materialnych lub przestrzennych w funkcji czasu. 
Występuje duża różnorodność tych warunków w zależności od rozważanego zagadnienia. 
Obowiązuje kilka zasad formułowania warunków brzegowych: 

–  Warunki kinematyczne: W przypadku kiedy płyn opływa ciało stałe, wówczas warunki 

brzegowe dotyczą pola prędkości płynu na powierzchni ciała stałego. Składowa prędkości 

background image

Kurs na Studiach Doktoranckich Politechniki Wrocławskiej                      (wersja: styczeń 2007) 
________________________________________________________________________________________ 

 

122

normalna do powierzchni winna ciała musi być „uzgodniona” z ruchem tej powierzchni. 
Jeżeli płyn jest lepki, wówczas dodatkowo składowa prędkości styczna również musi być 
„uzgodniona” z ruchem powierzchni co oznacza w praktyce, że płyn przy powierzchni ma 
prędkość równą prędkości punktów na powierzchni. Jeżeli powierzchnia jest nieruchoma 
to prędkość jest równa zeru. 

–  Warunki dynamiczne: Na powierzchni swobodnej  naprężenia w płynie przy tej po-

wierzchni (normalne i styczne są równe zeru lub równe obciążeniu tej powierzchni. 

–  Warunki mieszane: Warunki takie występują na (a) powierzchniach materialnych oddziela-

jących dwa płyny o różnych własnościach lub (b) powierzchniach przestrzennych niecią-
głości pól – powierzchniach frontów (np. atmosferycznych, fali uderzeniowej, itp). W tym 
przypadku mamy do czynienia z warunkami kinematycznymi i dynamicznymi. Powierzch-
nie te najczęściej są zmienne w czasie. 

 

5.  Statyka płynów 

Jest to najstarszy dział mechaniki płynów. Zakłada się, że płyn znajduje się w spoczynku v=0

Równania zagadnienia: 

–  równanie zachowania masy (19) 

 

 

( )

0

0

div

=

ρ

=

ρ

+

ρ

t

t

v

,    

(13.29) 

–  równanie ruchu: dla   

k

l

k

l

p

t

δ

θ

ρ

)

,

(

=

 

 

 

0

,

0

D

D

|

=

ρ

+

=

⎟⎟

⎜⎜

ρ

+

i

i

i

i

j

ij

f

p

t

v

f

t

, (13.30) 

a)  Dla  f

i

 = 0  ciśnienie p = const co jest zgodne z prawem Pascala. 

 

 

b)  Płyn z polu ciężkości  

)

,

0

,

0

(

g

ρ

=

f

 

Z równań (30) mamy 

 

 

,

,

0

,

0

g

z

p

y

p

x

p

ρ

=

=

=

    

(13.31) 

stąd po scałkowaniu trzeciego równania mamy 

 

 

,

d

0

0

ρ

=

z

z

z

g

p

p

     

(13.32) 

a dla płynu jednorodnego i nieściśliwego 

 

 

,

0

z

g

p

p

ρ

=

 

     

(13.33) 

co zwykle traktuje się jako ciśnienie hydrostatyczne cieczy. 
 

c)  Gaz doskonały o równaniu Clapeyrona   

ρθ

θ

ρ

R

p

=

)

,

(

.  Równanie  płynu ma postać 

 

 

,

θ

=

R

pg

z

p

      

(13.34) 

a po scałkowaniu 

background image

Konderla P.  Mechanika ośrodków ciągłych 

________________________________________________________________________________________ 

 

123

 

 



θ

=

z

z

z

z

R

g

p

p

0

d

)

(

1

exp

0

.  

 

 

(13.35) 

Zwykle dla atmosfery ziemskiej przyjmuje się liniową zmianę temperatury po wysokości w 
postaci funkcji  

z

z

α

θ

=

θ

0

)

(

 

stąd po podstawieniu do (35) mamy 

 

 

α

⎟⎟

⎜⎜

θ

α

=

R

g

z

p

p

/

0

0

1

    

(13.36) 

 

6.  Zagadnienie interakcji płyn-ciało stałe

8

 

Przepływ płynu przez zastawkę aortalną. Schemat statyczny na rys. 13.9. 

Założenia: 

–  płyn lepki niutonowski, 
–  ciało stałe hipersprężyste, deformacje duże, odkształcenia skończone, 
–  ciśnienie zmienne w czasie, rozkład ciśnienia na rys. 13.10. 

 

 

 
Analiza procesu została wykonana MES wykorzystując system ANSYS. 
Rozkład prędkości w obszarze płynu pokazano na rys. 13.11. 
 

                                                 
 

8

 [11] Konderla P., Patralski K.: Analysis of flow through the model of aortic valve bioprothesis 

 

Rys. 13.9. Schemat analizowanej konstrukcji 

background image

Kurs na Studiach Doktoranckich Politechniki Wrocławskiej                      (wersja: styczeń 2007) 
________________________________________________________________________________________ 

 

124

 

 

 

 

Rys. 13.11. Rozkład prędkości 

 

Rys. 13.10. Rozkład ciśnienia na wejściu do aorty