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2.4.4 時間あたりの仕事

時間あたりの仕事(仕事率)は面に作用する力と速度の内積で表される2.6。面に作用する力は図2.5を参照(p. [*])。コントロールボリュームのそれぞれの面について考える。その際、展開後に微分の四乗となる項 $ (dx^2 dydz, dxdy^2 dz, dxdydz^2 )$ は十分に小さいため無視する。

$ x$ 軸に垂直 $ yz$ 面左

$\displaystyle \left( \begin{array}{c} \sigma_{x, {x -}}  \tau_{xy, {x -}}  ...
...ma_{x, {x -}} u_{x -}+ \tau_{xy, {x -}} v_{x -}+ \tau_{xz, {x -}} w_{x -}) dydz$ (2.165)

$ x$ 軸に垂直 $ yz$ 面右

$\displaystyle \left( \begin{array}{c} \sigma_{x, {x +}}  \tau_{xy, {x +}}  \tau_{xz, {x +}} \end{array} \right) \cdot$ $\displaystyle \left( \begin{array}{c} u_{x +} v_{x +} w_{x +} \end{array} \...
...frac{\partial w}{\partial x} \right\vert _ {{x -}} d x \end{array} \right) dydz$    
  $\displaystyle = \bigg(\sigma_{x, {x -}} u_{x -}+ \sigma_{x, {x -}} \left. \dfra...
...\partial u}{\partial x} \right\vert _ {{x -}} dx^2 }_{十分に小さいため無視する}$    
  $\displaystyle + \tau_{xy, {x -}} v_{x -}+ \tau_{xy, {x -}} \left. \dfrac{\parti...
...\partial v}{\partial x} \right\vert _ {{x -}} dx^2 }_{十分に小さいため無視する}$    
  $\displaystyle + \tau_{xz, {x -}} w_{x -}+ \tau_{xz, {x -}} \left. \dfrac{\parti...
...{\partial x} \right\vert _ {{x -}} dx^2 }_{十分に小さいため無視する}\bigg) dydz$ (2.166)

$ y$ 軸に垂直 $ zx$ 面下

$\displaystyle \left( \begin{array}{c} \tau_{yx, {y -}}  \sigma_{x, {x -}}  ...
..._{yx, {y -}} u_{y -}+ \sigma_{y, {y -}} v_{y -}+ \tau_{yz, {y -}} w_{y -}) dzdx$ (2.167)

$ y$ 軸に垂直 $ zx$ 面上

$\displaystyle \left( \begin{array}{c} \tau_{yx, {y +}}  \sigma_{y, {y +}}  \tau_{yz, {y +}} \end{array} \right) \cdot$ $\displaystyle \left( \begin{array}{c} u_{y +} v_{y +} w_{y +} \end{array} \...
...frac{\partial w}{\partial y} \right\vert _ {{y -}} d y \end{array} \right) dzdx$    
  $\displaystyle = \bigg(\tau_{yx, {y -}} u_{y -}+ \tau_{yx, {y -}} \left. \dfrac{...
...\partial u}{\partial y} \right\vert _ {{y -}} dy^2 }_{十分に小さいため無視する}$    
  $\displaystyle + \sigma_{y, {y -}} v_{y -}+ \sigma_{y, {y -}} \left. \dfrac{\par...
...\partial v}{\partial y} \right\vert _ {{y -}} dy^2 }_{十分に小さいため無視する}$    
  $\displaystyle + \tau_{yz, {y -}} w_{y -}+ \tau_{yz, {y -}} \left. \dfrac{\parti...
...{\partial y} \right\vert _ {{y -}} dy^2 }_{十分に小さいため無視する}\bigg) dzdx$ (2.168)

$ z$ 軸に垂直 $ xy$ 面後

$\displaystyle \left( \begin{array}{c} \tau_{zx, {z -}}  \tau_{zy, {z -}}  \...
..._{zx, {z -}} u_{z -}+ \tau_{zy, {z -}} v_{z -}+ \sigma_{z, {z -}} w_{z -}) dxdy$ (2.169)

$ z$ 軸に垂直 $ xy$ 面前

$\displaystyle \left( \begin{array}{c} \tau_{zx, {z +}}  \tau_{zy, {z +}}  \sigma_{z, {z +}}  \end{array} \right) \cdot$ $\displaystyle \left( \begin{array}{c} u_{z +} v_{z +} w_{z +} \end{array} \...
...frac{\partial w}{\partial z} \right\vert _ {{z -}} d z \end{array} \right) dxdy$    
  $\displaystyle = \bigg(\tau_{zx, {z -}} u_{z -}+ \tau_{zx, {z -}} \left. \dfrac{...
...\partial u}{\partial z} \right\vert _ {{z -}} dz^2 }_{十分に小さいため無視する}$    
  $\displaystyle + \tau_{zy, {z -}} v_{z -}+ \tau_{zy, {z -}} \left. \dfrac{\parti...
...\partial v}{\partial z} \right\vert _ {{z -}} dz^2 }_{十分に小さいため無視する}$    
  $\displaystyle + \sigma_{z, {z -}} w_{z -}+ \sigma_{z, {z -}} \left. \dfrac{\par...
...{\partial z} \right\vert _ {{z -}} dz^2 }_{十分に小さいため無視する}\bigg) dxdy$ (2.170)

各面にかかる力はコントロールボリュームから出る方向を正としているので、符号をあわせて$ xyz$ 軸に垂直な面それぞれ足し合わせる。その和が“時間あたりの仕事"になる。

$ x$ 軸に垂直面
$ -$ 式(2.166)$ +$ 式(2.167)

$\displaystyle \bigg( \sigma_{x, {x -}} \left. \dfrac{\partial u}{\partial x} \r...
...t. \dfrac{\partial {\tau_{xz}}}{\partial x} \right\vert _ {{x -}} \bigg) dxdydz$ (2.171)

$ y$ 軸に垂直面
$ -$ 式(2.168)$ +$ 式(2.169)

$\displaystyle \bigg( \tau_{yx, {y -}} \left. \dfrac{\partial u}{\partial y} \ri...
...eft. \dfrac{\partial \tau_{yz}}{\partial y} \right\vert _ {{y -}} \bigg) dxdydz$ (2.172)

$ z$ 軸に垂直面
$ -$ 式(2.170)$ +$ 式(2.171)

$\displaystyle \bigg( \tau_{zx, {z -}} \left. \dfrac{\partial u}{\partial z} \ri...
...left. \dfrac{\partial \sigma_z}{\partial z} \right\vert _ {{z -}} \bigg) dxdydz$ (2.173)

ここで、式(2.60)で表される面に垂直な応力$ \sigma_x$ $ \sigma_y$ $ \sigma_z$ [Pa]を圧力と粘性力の項に分け、次のように表す。

$\displaystyle \left. \begin{array}{ccc} \sigma_x & = & - P + \mu \bigg( 2 \dfra...
... \dfrac{2}{3} \nabla \cdot \bm{v} \bigg) = - P + \tau_{zz} \end{array} \right\}$ (2.174)

式(2.172)、式(2.173)、式(2.174)の和に上式の$ \sigma$ を代入すると、次式となる。ここで、コントロールボリュームの体積($ dxdydz$ )で括られている項の中での各境界面での区別はしない(2.1.7節 p.[*])。

$\displaystyle \bigg\{$ $\displaystyle \big(- P + \tau_{xx} \big) \dfrac{\partial u}{\partial x} + \big(...
...tial v}{\partial y} + \big(- P + \tau_{zz} \big) \dfrac{\partial w}{\partial z}$    
  $\displaystyle + u \dfrac{\partial }{\partial x} \big(- P + \tau_{xx} \big) + v ...
... + \tau_{yy} \big) + w \dfrac{\partial }{\partial z} \big(- P + \tau_{zz} \big)$    
  $\displaystyle + \tau_{xy} \dfrac{\partial v}{\partial x} + \tau_{yx} \dfrac{\pa...
..._{zx} \dfrac{\partial u}{\partial z} + \tau_{xz} \dfrac{\partial w}{\partial x}$    
  $\displaystyle + u \dfrac{\partial \tau_{yx}}{\partial y} + u \dfrac{\partial \t...
...tau_{xz}}{\partial x} + w \dfrac{\partial \tau_{yz}}{\partial y} \bigg\} dxdydz$    
$\displaystyle =$ $\displaystyle \bigg( - P \dfrac{\partial u}{\partial x} - P \dfrac{\partial v}{...
...artial x} - v \dfrac{\partial P}{\partial y} - w \dfrac{\partial P}{\partial z}$    
  % latex2html id marker 21240 $\displaystyle \underbrace{ + \tau_{xx} \dfrac{\pa...
...については詳細を付録\ref{sec-Dissipation}(p.\pageref{sec-Dissipation})に記す。}$    
  $\displaystyle + u \dfrac{\partial \tau_{xx}}{\partial x} + v \dfrac{\partial \t...
...\tau_{xz}}{\partial x} + w \dfrac{\partial \tau_{yz}}{\partial y} \bigg) dxdydz$    
$\displaystyle =$ $\displaystyle \bigg( - P \dfrac{\partial u}{\partial x} - P \dfrac{\partial v}{...
...artial x} - v \dfrac{\partial P}{\partial y} - w \dfrac{\partial P}{\partial z}$    
  $\displaystyle + u \dfrac{\partial \tau_{xx}}{\partial x} + v \dfrac{\partial \t...
...\tau_{xz}}{\partial x} + w \dfrac{\partial \tau_{yz}}{\partial y} \bigg) dxdydz$ (2.175)



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