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東京大学 工学系研究科 機械工学専攻 機械工学第1部 2025年8月実施 問題 2

Author​

祭音Myyura (Based on zzy's answer refined with GPT 6 Astra)

Description​

図2に示すように,密度 ρ\rho,動粘性係数 ν\nu の静止した流体が無限に広い壁面に接している。壁面の接線方向に xx 軸,法線方向に zz 軸をとり,壁面を zz 軸の原点とする。流体は zz 軸方向に無限遠方まで存在している。はじめ静止していた壁面が,時刻 t=0t=0 より xx 軸の正方向に一定速度 u0u_0 で動き出したときに誘起される流体の運動について考える。流れは非圧縮性であり,流体は xx 軸方向のみに運動するとして,以下の設問に答えよ。

(1) 流体の xx 軸方向の運動方程式は以下のように表される。

∂u∂t+u∂u∂x+w∂u∂z=−1ρ∂p∂x+ν(∂2u∂x2+∂2u∂z2).\frac{\partial u}{\partial t}+u\frac{\partial u}{\partial x}+w\frac{\partial u}{\partial z} =-\frac1\rho\frac{\partial p}{\partial x} +\nu\left(\frac{\partial^2u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2u}{\partial z^2}\right).

ここで,u,wu,w は流速の x,zx,z 方向成分,pp は圧力である。今考えている問題において0となる項を全て消去し,uu についての偏微分方程式を最も簡単な形で示せ。

(2) 設問(1)で求めた偏微分方程式を解くために,以下の式で定義される変数 η\eta を導入する。

η=z2νt.\eta=\frac{z}{2\sqrt{\nu t}}.

流速 uu は,η\eta のみの関数として u=f(η)u=f(\eta) のように書ける。f(η)f(\eta) についての常微分方程式を示せ。

(3) 流速 uu を u0,ν,z,tu_0,\nu,z,t を用いて表せ。以下の式で定義される誤差関数を用いてよい。

erf⁡(α)=2π∫0αexp⁡(−s2) ds.\operatorname{erf}(\alpha)=\frac2{\sqrt\pi}\int_0^\alpha\exp(-s^2)\,ds.

なお,lim⁡α→∞erf⁡(α)=1\displaystyle\lim_{\alpha\to\infty}\operatorname{erf}(\alpha)=1 である。

(4) 壁が動き出してから十分時間が経ったときの流速 uu の分布を図示せよ。壁面(z=0z=0)と無限遠方(z→∞z\to\infty)における流速が分かるように描くこと。

図2:流体・壁面と座標系

题目描述​

如图2所示,密度为 ρ\rho、运动黏度为 ν\nu 的静止流体与无限宽广的壁面接触。取壁面切向为 xx 轴,法向为 zz 轴,以壁面为 zz 轴原点。流体沿 zz 轴方向延伸到无穷远处。考虑原本静止的壁面从 t=0t=0 起沿 xx 轴正方向以恒定速度 u0u_0 运动时所诱发的流体运动。流动不可压缩,流体仅沿 xx 轴方向运动。回答下列问题。

(1) 流体沿 xx 轴方向的运动方程如下。

∂u∂t+u∂u∂x+w∂u∂z=−1ρ∂p∂x+ν(∂2u∂x2+∂2u∂z2).\frac{\partial u}{\partial t}+u\frac{\partial u}{\partial x}+w\frac{\partial u}{\partial z} =-\frac1\rho\frac{\partial p}{\partial x} +\nu\left(\frac{\partial^2u}{\partial x^2}+\frac{\partial^2u}{\partial z^2}\right).

其中 u,wu,w 为流速沿 x,zx,z 方向的分量,pp 为压力。消去在本问题中为零的所有项,以最简形式写出关于 uu 的偏微分方程。

(2) 为求解第(1)问得到的偏微分方程,引入变量

η=z2νt.\eta=\frac{z}{2\sqrt{\nu t}}.

流速 uu 可写为仅依赖 η\eta 的函数 u=f(η)u=f(\eta)。写出关于 f(η)f(\eta) 的常微分方程。

(3) 用 u0,ν,z,tu_0,\nu,z,t 表示流速 uu。可以使用下式定义的误差函数:

erf⁡(α)=2π∫0αexp⁡(−s2) ds,\operatorname{erf}(\alpha)=\frac2{\sqrt\pi}\int_0^\alpha\exp(-s^2)\,ds,

其中 lim⁡α→∞erf⁡(α)=1\displaystyle\lim_{\alpha\to\infty}\operatorname{erf}(\alpha)=1。

(4) 画出壁面开始运动后经过足够长时间时的流速 uu 分布,图中应清楚体现壁面(z=0z=0)和无穷远处(z→∞z\to\infty)的流速。

图2:流体、壁面及坐标系

Kai​

(1)​

w=0w=0 と連続の式より ux=0u_x=0。法線方向の運動方程式と無限遠方の静止条件から px=0p_x=0 である。したがって

∂u∂t=ν∂2u∂z2.\boxed{\frac{\partial u}{\partial t}=\nu\frac{\partial^2u}{\partial z^2}}.

(2)​

∂η∂t=−η2t,\frac{\partial\eta}{\partial t}=-\frac\eta{2t},
∂η∂z=12νt \frac{\partial\eta}{\partial z}=\frac1{2\sqrt{\nu t}}

より、ut=−ηf′/(2t)u_t=-\eta f'/(2t)、uzz=f′′/(4νt)u_{zz}=f''/(4\nu t)。よって

f′′+2ηf′=0.\boxed{f''+2\eta f'=0}.

(3)​

積分して f′=C1e−η2f'=C_1e^{-\eta^2}、f=C1∫0ηe−s2ds+C2f=C_1\int_0^\eta e^{-s^2}ds+C_2。境界条件 f(0)=u0f(0)=u_0、f(∞)=0f(\infty)=0 より C2=u0C_2=u_0、C1=−2u0/πC_1=-2u_0/\sqrt\pi となる。したがって

u(z,t)=u0[1−erf⁡(z2νt)].\boxed{u(z,t)=u_0\left[1-\operatorname{erf}\left(\frac{z}{2\sqrt{\nu t}}\right)\right]}.

z>0z>0 に対して t↓0t\downarrow0 で u→0u\to0 となり、初期条件も満たす。

(4)​

壁面では u=u0u=u_0、壁から離れると単調に減少し、無限遠方では u→0u\to0。時間とともに速度変化の及ぶ距離が νt\sqrt{\nu t} に比例して広がる。

有限時刻における速度分布

Reference​