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 ρ ,動粘性係数 ν \nu ν 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 x x x 軸,法線方向に z z z 軸をとり,壁面を z z z 軸の原点とする。流体は z z z 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 = 0 t=0 t = 0 より x x x 軸の正方向に一定速度 u 0 u_0 u 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 x x x 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 x x x 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 = − 1 ρ ∂ p ∂ x + ν ( ∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ z 2 ) . \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). ∂ t ∂ u + u ∂ x ∂ u + w ∂ z ∂ u = − ρ 1 ∂ x ∂ p + ν ( ∂ x 2 ∂ 2 u + ∂ z 2 ∂ 2 u ) .
ここで,u , w u,w u , w は流速の x , z x,z x , z 方向成分,p p p 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,u u u 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 η を導入する。
η = z 2 ν t . \eta=\frac{z}{2\sqrt{\nu t}}. η = 2 ν t z .
流速 u u u は,η \eta η のみの関数として u = f ( η ) u=f(\eta) u = f ( η ) のように書ける。f ( η ) f(\eta) f ( η ) についての常微分方程式を示せ。
(3) 流速 u u u を u 0 , ν , z , t u_0,\nu,z,t u 0 , ν , 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 ) = 2 π ∫ 0 α exp ( − s 2 ) d s . \operatorname{erf}(\alpha)=\frac2{\sqrt\pi}\int_0^\alpha\exp(-s^2)\,ds. erf ( α ) = π 2 ∫ 0 α exp ( − s 2 ) d s .
なお,lim α → ∞ erf ( α ) = 1 \displaystyle\lim_{\alpha\to\infty}\operatorname{erf}(\alpha)=1 α → ∞ lim erf ( α ) = 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 u u u の分布を図示せよ。壁面(z = 0 z=0 z = 0 )と無限遠方(z → ∞ z\to\infty z → ∞ )における流速が分かるように描くこと。
题目描述
如图2所示,密度为 ρ \rho ρ 、运动黏度为 ν \nu ν 的静止流体与无限宽广的壁面接触。取壁面切向为 x x x 轴,法向为 z z z 轴,以壁面为 z z z 轴原点。流体沿 z z z 轴方向延伸到无穷远处。考虑原本静止的壁面从 t = 0 t=0 t = 0 起沿 x x x 轴正方向以恒定速度 u 0 u_0 u 0 运动时所诱发的流体运动。流动不可压缩,流体仅沿 x x x 轴方向运动。回答下列问题。
(1) 流体沿 x x x 轴方向的运动方程如下。
∂ u ∂ t + u ∂ u ∂ x + w ∂ u ∂ z = − 1 ρ ∂ p ∂ x + ν ( ∂ 2 u ∂ x 2 + ∂ 2 u ∂ z 2 ) . \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). ∂ t ∂ u + u ∂ x ∂ u + w ∂ z ∂ u = − ρ 1 ∂ x ∂ p + ν ( ∂ x 2 ∂ 2 u + ∂ z 2 ∂ 2 u ) .
其中 u , w u,w u , w 为流速沿 x , z x,z x , z 方向的分量,p p p 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 u u u 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 = z 2 ν t . \eta=\frac{z}{2\sqrt{\nu t}}. η = 2 ν t z .
流速 u u u 可写为仅依赖 η \eta η 的函数 u = f ( η ) u=f(\eta) u = f ( η ) 。写出关于 f ( η ) f(\eta) f ( η ) 的常微分方程。
(3) 用 u 0 , ν , z , t u_0,\nu,z,t u 0 , ν , z , t 表示流速 u u u 。可以使用下式定义的误差函数:
erf ( α ) = 2 π ∫ 0 α exp ( − s 2 ) d s , \operatorname{erf}(\alpha)=\frac2{\sqrt\pi}\int_0^\alpha\exp(-s^2)\,ds, erf ( α ) = π 2 ∫ 0 α exp ( − s 2 ) d s ,
其中 lim α → ∞ erf ( α ) = 1 \displaystyle\lim_{\alpha\to\infty}\operatorname{erf}(\alpha)=1 α → ∞ lim erf ( α ) = 1 。
(4) 画出壁面开始运动后经过足够长时间时的流速 u u u 分布,图中应清楚体现壁面(z = 0 z=0 z = 0 )和无穷远处(z → ∞ z\to\infty z → ∞ )的流速。
Kai
(1)
w = 0 w=0 w = 0 と連続の式より u x = 0 u_x=0 u x = 0 。法線方向の運動方程式と無限遠方の静止条件から p x = 0 p_x=0 p x = 0 である。したがって
∂ u ∂ t = ν ∂ 2 u ∂ z 2 . \boxed{\frac{\partial u}{\partial t}=\nu\frac{\partial^2u}{\partial z^2}}. ∂ t ∂ u = ν ∂ z 2 ∂ 2 u .
(2)
∂ η ∂ t = − η 2 t , \frac{\partial\eta}{\partial t}=-\frac\eta{2t}, ∂ t ∂ η = − 2 t η ,
∂ η ∂ z = 1 2 ν t
\frac{\partial\eta}{\partial z}=\frac1{2\sqrt{\nu t}} ∂ z ∂ η = 2 ν t 1
より、u t = − η f ′ / ( 2 t ) u_t=-\eta f'/(2t) u t = − η f ′ / ( 2 t ) 、u z z = f ′ ′ / ( 4 ν t ) u_{zz}=f''/(4\nu t) u zz = f ′′ / ( 4 ν t ) 。よって
f ′ ′ + 2 η f ′ = 0 . \boxed{f''+2\eta f'=0}. f ′′ + 2 η f ′ = 0 .
(3)
積分して f ′ = C 1 e − η 2 f'=C_1e^{-\eta^2} f ′ = C 1 e − η 2 、f = C 1 ∫ 0 η e − s 2 d s + C 2 f=C_1\int_0^\eta e^{-s^2}ds+C_2 f = C 1 ∫ 0 η e − s 2 d s + C 2 。境界条件 f ( 0 ) = u 0 f(0)=u_0 f ( 0 ) = u 0 、f ( ∞ ) = 0 f(\infty)=0 f ( ∞ ) = 0 より C 2 = u 0 C_2=u_0 C 2 = u 0 、C 1 = − 2 u 0 / π C_1=-2u_0/\sqrt\pi C 1 = − 2 u 0 / π となる。したがって
u ( z , t ) = u 0 [ 1 − erf ( z 2 ν t ) ] . \boxed{u(z,t)=u_0\left[1-\operatorname{erf}\left(\frac{z}{2\sqrt{\nu t}}\right)\right]}. u ( z , t ) = u 0 [ 1 − erf ( 2 ν t z ) ] .
z > 0 z>0 z > 0 に対して t ↓ 0 t\downarrow0 t ↓ 0 で u → 0 u\to0 u → 0 となり、初期条件も満たす。
(4)
壁面では u = u 0 u=u_0 u = u 0 、壁から離れると単調に減少し、無限遠方では u → 0 u\to0 u → 0 。時間とともに速度変化の及ぶ距離が ν t \sqrt{\nu t} ν t に比例して広がる。
Reference