4 CONTENTS
2.3.3.1 Nonconservative fo r m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3.2 Mechanical energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3.3 Conserva t ive form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3.4 Energy equation in terms of entropy . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4 Entropy inequality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Constitutive relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 Stress-strain rate relationship for Newtonian fluids . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 Fourier’s law for heat conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.3 Variable first coefficient of viscosity, µ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.3.1 Typical values of µ for air and water . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.3.2 Common models for µ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.4 Variable second coefficient of viscosity, λ . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5
2.4.5 Variable thermal conductivity, k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.5.1 Typical values of k for air and water . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.5.2 Common models for k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.6 Thermal equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.6.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.6.2 Typical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.7 Caloric equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.7.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.7.2 Typical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 Special cases of governing equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.1 One-dimensional equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.2 Euler equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.3 Incompressible Navier-Stokes equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Thermodynamics review 39
3.1 Preliminary mathematical concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Summary of thermodynamic concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Maxwell relations and secondary properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1 Internal energy from thermal equation o f state . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Sound speed fr om thermal equation of state . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Canonical equations of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Isentr opic relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 One-dimensional compressible flow 61
4.1 Generalized one-dimensional equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.1 Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.2 Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.4 Influence coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Flow with area change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
CC BY-NC-ND. 28 October 2019, J. M. Powers.