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770
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#LyX 2.3 created this file. For more info see http://www.lyx.org/
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\backslash
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\backslash
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articletitle}{Numerical solution of the (Stokes) viscous boundary layer}
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\backslash
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\backslash
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today}
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\end_layout
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\begin_layout Plain Layout
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%
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\backslash
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\end_layout
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\begin_layout Plain Layout
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%
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\backslash
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\end_layout
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\begin_layout Plain Layout
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%
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\backslash
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end{center}
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\end_layout
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\end_inset
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\end_layout
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\begin_layout Title
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\begin_layout Title
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Boundary layer flow
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\begin_layout Standard
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status open
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\begin_layout Plain Layout
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\backslash
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articletitle
|
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\end_layout
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\end_inset
|
\end_inset
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\end_layout
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\begin_inset Newline newline
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\begin_layout Standard
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\end_inset
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|
||||||
,
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||||||
\begin_inset Formula $y=1,\frac{\partial u}{\partial y}=0$
|
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\end_inset
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\end_inset
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||||||
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\end_layout
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\size large
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||||||
\begin_layout Standard
|
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||||||
Discretization, FTCD:
|
|
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\end_layout
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||||||
\begin_layout Standard
|
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\begin_inset Formula
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|
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|
|
||||||
\end{equation}
|
|
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|
|
||||||
\end_inset
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
\end_layout
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|
|
||||||
\begin_layout Standard
|
|
||||||
Rewriting:
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|
||||||
\begin_inset Note Note
|
\begin_inset Note Note
|
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status open
|
status open
|
||||||
|
|
||||||
\begin_layout Plain Layout
|
\begin_layout Plain Layout
|
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\begin_inset Formula $u_{i}^{n+1}-u_{i}^{n}-\frac{\Delta t}{\Delta y^{2}s^{2}}\frac{u_{i+1}^{n}-2u_{i}^{n}-u_{i-1}^{n}}{}=K^{n}\Delta t$
|
|
||||||
|
\series bold
|
||||||
|
\size giant
|
||||||
|
Subtitle
|
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|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
\end_inset
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
\end_layout
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
\begin_layout Plain Layout
|
\begin_layout Author
|
||||||
\begin_inset Formula $u_{i}^{n+1}=\Delta tK^{n}+u_{i}^{n}+\frac{\Delta t}{\Delta y^{2}s^{2}}\left(u_{i+1}^{n}-2u_{i}^{n}-u_{i-1}^{n}\right)$
|
|
||||||
|
\series bold
|
||||||
|
J.A.
|
||||||
|
de Jong
|
||||||
|
\begin_inset Formula $^{1}$
|
||||||
\end_inset
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
\end_layout
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
\begin_layout Plain Layout
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\begin_layout Standard
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\end_inset
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\end_inset
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||||||
|
|
||||||
\end_layout
|
\end_layout
|
||||||
|
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||||||
|
\begin_layout Standard
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||||||
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\align center
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\begin_inset Graphics
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filename /home/anne/bin/doctemplates/ascee_beeldmerk_withacr.eps
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width 45text%
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\end_inset
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\end_layout
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\begin_layout Standard
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\align center
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\size small
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\begin_inset Formula $^{1}$
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\end_inset
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ASCEE, Máximastraat 1, 7442 NW Nijverdal, info@ascee.nl
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\end_layout
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|
|
||||||
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\begin_layout Standard
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\begin_inset VSpace medskip
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\end_inset
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|
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<row>
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<cell alignment="left" valignment="top" usebox="none">
|
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\begin_inset Text
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|
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\begin_layout Plain Layout
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
and
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\begin_inset ERT
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status collapsed
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\begin_layout Plain Layout
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\backslash
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arrayrulecolor{asceelightblue}
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\end_layout
|
\end_layout
|
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|
|
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\begin_layout Plain Layout
|
\begin_layout Plain Layout
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\begin_inset Formula $u_{N}-u_{n-1}=0$
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\backslash
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midrule[2pt]
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\end_layout
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|
|
||||||
|
\end_inset
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||||||
|
|
||||||
|
Internal document ID:
|
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\end_layout
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|
|
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\end_inset
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</cell>
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<cell alignment="right" valignment="top" usebox="none">
|
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\begin_inset Text
|
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|
|
||||||
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\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
</row>
|
||||||
|
<row>
|
||||||
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<cell alignment="left" valignment="top" usebox="none">
|
||||||
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\begin_inset Text
|
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|
|
||||||
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\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
External document ID:
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
<cell alignment="right" valignment="top" usebox="none">
|
||||||
|
\begin_inset Text
|
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|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
</row>
|
||||||
|
<row>
|
||||||
|
<cell alignment="left" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
|
||||||
|
\begin_inset Text
|
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|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
Document status:
|
||||||
|
\end_layout
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||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
<cell alignment="right" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
|
||||||
|
\begin_inset Text
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
Draft
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
</row>
|
||||||
|
</lyxtabular>
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
\align center
|
||||||
|
|
||||||
|
\size small
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\begin_inset VSpace medskip
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\end_inset
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|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
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||||||
|
|
||||||
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\begin_layout Standard
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\begin_inset Note Note
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status open
|
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|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
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\align left
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\begin_inset Tabular
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|
||||||
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<features tabularvalignment="middle" tabularwidth="100text%">
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<column alignment="left" valignment="top" width="0pt">
|
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<column alignment="right" valignment="top" width="8cm">
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||||||
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<row>
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||||||
|
<cell alignment="left" valignment="top" usebox="none">
|
||||||
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\begin_inset Text
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||||||
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\begin_layout Plain Layout
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\begin_inset ERT
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status collapsed
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||||||
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\begin_layout Plain Layout
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|
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|
|
||||||
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\backslash
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||||||
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arrayrulecolor{asceelightblue}
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
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|
|
||||||
|
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
midrule[2pt]
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
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Internal document ID:
|
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|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
<cell alignment="right" valignment="top" usebox="none">
|
||||||
|
\begin_inset Text
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
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\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
</row>
|
||||||
|
<row>
|
||||||
|
<cell alignment="left" valignment="top" usebox="none">
|
||||||
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\begin_inset Text
|
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|
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\begin_layout Plain Layout
|
||||||
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External document ID:
|
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|
\end_layout
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||||||
|
|
||||||
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\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
<cell alignment="right" valignment="top" usebox="none">
|
||||||
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\begin_inset Text
|
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|
|
||||||
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\begin_layout Plain Layout
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|
|
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\end_layout
|
||||||
|
|
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\end_inset
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|
||||||
|
</row>
|
||||||
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<row>
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||||||
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<cell alignment="left" valignment="top" usebox="none">
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\begin_inset Text
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|
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\begin_layout Plain Layout
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||||||
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Document status:
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||||||
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\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
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\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
<cell alignment="right" valignment="top" usebox="none">
|
||||||
|
\begin_inset Text
|
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|
|
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\begin_layout Plain Layout
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Draft
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\end_layout
|
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|
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\end_inset
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</cell>
|
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|
</row>
|
||||||
|
<row>
|
||||||
|
<cell alignment="left" valignment="top" usebox="none">
|
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\begin_inset Text
|
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|
|
||||||
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\begin_layout Plain Layout
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\begin_inset Note Note
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status open
|
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\lang dutch
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Revisiehistorie:
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\end_layout
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\end_inset
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|
||||||
|
\begin_inset Text
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
\begin_inset Note Note
|
||||||
|
status open
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\lang dutch
|
||||||
|
\begin_inset ERT
|
||||||
|
status open
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
today
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
: rev.
|
||||||
|
1
|
||||||
|
\begin_inset Newline newline
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_inset ERT
|
||||||
|
status open
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
fourteendaysahead
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
: rev.
|
||||||
|
2
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
</row>
|
||||||
|
<row>
|
||||||
|
<cell alignment="left" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
|
||||||
|
\begin_inset Text
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
<cell alignment="right" valignment="top" bottomline="true" usebox="none">
|
||||||
|
\begin_inset Text
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
\begin_inset ERT
|
||||||
|
status collapsed
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
bottomrule[2pt]%
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
</cell>
|
||||||
|
</row>
|
||||||
|
</lyxtabular>
|
||||||
|
|
||||||
\end_inset
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
@ -152,9 +549,260 @@ and
|
|||||||
\end_layout
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
\begin_layout Standard
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
\begin_inset CommandInset toc
|
||||||
|
LatexCommand tableofcontents
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
\begin_inset ERT
|
||||||
|
status open
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
thispagestyle{empty}
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
% Optionally: set this document to confidential
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Plain Layout
|
||||||
|
|
||||||
|
%
|
||||||
|
\backslash
|
||||||
|
confidential
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Section
|
||||||
|
Differential equation
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
The Stokes layer of the velocity satisfies the following differential equation:
|
||||||
\begin_inset Formula
|
\begin_inset Formula
|
||||||
\[
|
\begin{equation}
|
||||||
\]
|
\frac{\partial\hat{u}}{\partial t}-\frac{\mu}{\rho_{0}}\nabla_{\mathrm{T}}^{2}\hat{u}=\hat{K}(t),\label{eq:diffeq}
|
||||||
|
\end{equation}
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
where
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $t$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is time,
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\nabla_{\mathrm{T}}^{2}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is the Laplacian in
|
||||||
|
\emph on
|
||||||
|
transverse
|
||||||
|
\emph default
|
||||||
|
direction.
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\hat{u}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is the
|
||||||
|
\emph on
|
||||||
|
axial
|
||||||
|
\emph default
|
||||||
|
velocity,
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\hat{K}(t)$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is the forcing function as a function of time, which in acoustics equals
|
||||||
|
minus the gradient of the pressure,
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\mu$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is the dynamic viscosity,
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\rho_{0}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
the density.
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Section
|
||||||
|
Harmonic solution
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
If we assume harmonic motion, we may write
|
||||||
|
\begin_inset Formula
|
||||||
|
\begin{equation}
|
||||||
|
\hat{u}=\Re\left(ue^{i\omega t}\right)\quad;\quad K=\Re\left(\hat{K}e^{i\omega t}\right)\quad\mathrm{etc}
|
||||||
|
\end{equation}
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
where
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\Re$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is the operator taking the real part of its argument,
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $i=\sqrt{-1}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
,
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\omega$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is the frequency in rad/s.
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
For flow close to a plate and unbounded in the
|
||||||
|
\begin_inset Formula $+y$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
-direction, the solution for
|
||||||
|
\begin_inset Formula $u$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
yields:
|
||||||
|
\begin_inset Formula
|
||||||
|
\begin{equation}
|
||||||
|
u=\frac{1}{i\omega\rho_{0}}K\left(1-\exp\left(-\left(1+i\right)y/\delta_{\nu}\right)\right),
|
||||||
|
\end{equation}
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
where
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\delta_{\nu}=\sqrt{\frac{2\mu}{\rho_{0}\omega}}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
For oscillating flow between two parallel plates, separated at distances
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_inset Formula $2y_{0}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
, and
|
||||||
|
\begin_inset Formula $y=0$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
at the center between the two plates:
|
||||||
|
\begin_inset Formula
|
||||||
|
\begin{equation}
|
||||||
|
u=\frac{1}{i\omega\rho_{0}}\frac{1-h_{\nu}}{1-f_{\nu}}K,
|
||||||
|
\end{equation}
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
where
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $h_{\nu}=\frac{\cosh\left(\left(1+i\right)y/\delta_{\nu}\right)}{\cosh\left(\left(1+i\right)y_{0}/\delta_{\nu}\right)},$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Itemize
|
||||||
|
\begin_inset Formula $f_{\nu}=\frac{\tanh\left(\left(1+i\right)y_{0}/\delta_{\nu}\right)}{\left(1+i\right)y_{0}/\delta_{\nu}}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
.
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Section
|
||||||
|
Forward Euler time, central in space
|
||||||
|
\end_layout
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_layout Standard
|
||||||
|
For
|
||||||
|
\begin_inset Formula $\nabla_{\mathrm{T}}^{2}\equiv\frac{\partial^{2}}{\partial y^{2}}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
, the forward Euler time, central in space (uniform grid) formulation of
|
||||||
|
Eq.
|
||||||
|
\begin_inset space ~
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin_inset CommandInset ref
|
||||||
|
LatexCommand ref
|
||||||
|
reference "eq:diffeq"
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
is
|
||||||
|
\begin_inset Formula
|
||||||
|
\begin{equation}
|
||||||
|
\frac{u_{i}^{n+1}-u_{i}^{n}}{\Delta t}-\frac{\mu}{\rho_{0}}\frac{u_{i+1}^{n}-2u_{i}^{n}-u_{i-1}^{n}}{\Delta y^{2}}=K^{n},
|
||||||
|
\end{equation}
|
||||||
|
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
where upper index
|
||||||
|
\begin_inset Formula $n$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
denotes a discrete time instance and lower index
|
||||||
|
\begin_inset Formula $i$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
denotes a discrete position index.
|
||||||
|
This is an explicit form for the velocity at the next time index
|
||||||
|
\begin_inset Formula $n+1$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
.
|
||||||
|
Solving for
|
||||||
|
\begin_inset Formula $u_{i}^{n+1}$
|
||||||
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
yields:
|
||||||
|
\begin_inset Formula
|
||||||
|
\begin{equation}
|
||||||
|
u_{i}^{n+1}=u_{i}^{n}+\Delta tK^{n}+\frac{\mu\Delta t}{\rho_{0}\Delta y^{2}}\left(u_{i+1}^{n}-2u_{i}^{n}-u_{i-1}^{n}\right)
|
||||||
|
\end{equation}
|
||||||
|
|
||||||
\end_inset
|
\end_inset
|
||||||
|
|
||||||
|
BIN
doc/blflow.pdf
Normal file
BIN
doc/blflow.pdf
Normal file
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