Contenidos teóricos y prácticos de la asignatura
English:
PRELIMINARY NOTE:
The program contains a number of optional complementary topics. They will be offered to the students depending on the general progress of the main topics of the course and, also, on the interest of the students.
Chapter 1 – THE DESCRIPTION OF A CONTINUOUS AND DEFORMABLE MEDIUM
1.1 – The Euler and Lagrange descriptions: multidimensional maps versus fluid element tracking. The Lagrange derivative.
1.2 – The relative motion of neighboring fluid elements. The expansion, rotation and strain tensors.
1.3 – Mass, momentum and energy of finite volumes and parcels of fluid. Volume forces and surface forces.
Chapter 2 – THE CONSERVATION LAWS FOR A FLUID
2.1 – The variation in time of integrated quantities in finite fluid parcels: Reynolds Theorem
2.2 – The mass conservation law (i.e., the continuity equation). Precise definition of the concepts ‘volume density’ and ‘flux across surfaces’ of physical quantities.
2.3 – The momentum equation
2.4 – The total energy equation. Separation into equations for the kinetic and internal energy. The natural combination of mechanics and thermodynamics occurring in a fluid.
2.5 – The canonical conservation form for the equations of a continuous medium. Closure of the system of equations. Their intrinsically non-linear character.
Chapter 3 - NON-VISCOUS FLUIDS
3.1 - Euler equation
3.2 – Motion around obstacles. The classical potential flow problem. Ram pressure.
3.3 – Compressible motion: astrophysical example. The solar wind.
3.4 – Vorticity. Kelvin’s circulation theorem.
Optional complementary topics
– Aerodynamics. The lift force on aerodynamic profiles: Kutta-Zhukovski theorem. The Zhukovski transformation and the Kutta condition for the flow around wings.
Chapter 4 – THE MICROSCOPIC FOUNDATIONS OF THE FLUID EQUATIONS
4.1 – The continuum approximation: the criterion of scale separation in space and time. Local thermodynamic equilibrium.
4.2 – Statistical averages and macroscopic fluid quantities. The bulk kinetic energy of the flow. The internal energy due to the translational degrees of freedom.
4.3 – The calculation of pressure and viscosity in kinetic theory: elementary considerations.
4.4 – The entropy equation. Entropy flux. Sources and sinks of entropy. Irreversibility in thermodynamics and irreversibility in fluid dynamics.
Chapter 5 - VISCOSITY.
5.1 – Surface forces. Stress tensor. Cauchy theorem.
5.2 – The momentum equation for a generic stress tensor.
5.3 – The viscous stress tensor as a microscopic transport phenomenon. Newtonian fluids.
5.4 – The Navier-Stokes equation. Reynolds number.
5.5 – The energy equation for the viscous case. The irreversible heating through viscosity.
Optional complementary topics:
– Electromagnetism and fluid dynamics. The Maxwell stress tensor. Electromagnetic pressure and tension. Volume density and flux of the electromagnetic energy.
– Boundary layers
– Accretion discs around astrophysical objects.
– Brief introduction to relativistic fluids. The stress-energy tensor and the conservation laws for relativistic fluids.
Chapter 6 – LINEAR WAVES IN GASES.
6.1 – Perturbation treatment of the non-linear equations. Linearization of the gas equations. Pressure waves (also known as sound waves).
6.2 – Fourier analysis. Eigenvalue equation. Dispersion relation. The eigenvectors as normal modes.
6.3 – Sound waves of finite amplitude. Nonlinearity and spontaneous transition to shock waves.
Optional complementary topics:
– Inhomogeneous equilibrium. The WKB approximation. Phase speed and group speed. Ray tracing: geometrical acoustics.
– Gravity waves in stellar interiors.
Chapter 7 – SHOCK FRONTS
7.1 – Shock fronts: a ubiquitous and unavoidable phenomenon in the Universe.
7.2 – Conservation equations across a shock front. The Rankine-Hugoniot jump conditions. Mach numbers: supersonic and subsonic regimes.
7.3 – Weak shocks. Strong shocks: thermalization of the incoming kinetic energy flux.
7.4 – Examples: explosions in general. Supernova remnants. Accretion columns on white dwarf stars or neutron stars.
Optional complementary topic:
– The transmission of information in gases. Characteristic curves. The shock fronts as the natural, inescapable result of compressions in gases.
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Español:
NOTA PRELIMINAR:
los temas complementarios optativos indicados en el programa se podrán ofertar en función de la marcha del curso y del interés por parte de los alumnos.
TEMA 1 – CÓMO TRATAR UN MEDIO CONTINUO Y DEFORMABLE
1.1 – Imagen de Euler e imagen de Lagrange: mapas 3D frente a seguimiento de elementos de fluido.
1.2 – El movimiento relativo de elementos próximos: tensor de expansión, rotación y deformación.
1.3 – Masa, impulso y energía de volúmenes de fluido. Fuerzas de volumen y fuerzas de superficie.
TEMA 2. LEYES DE CONSERVACIÓN PARA UN FLUIDO.
2.1 – Variación temporal de contenidos de un trozo de fluido: teorema de Reynolds.
2.2 – Ley de conservación de la masa. Definición precisa de los conceptos densidad volumétrica y flujo de magnitudes físicas.
2.3 – Ecuación del impulso.
2.4 – Ecuación de la energía total. Ecuaciones separadas para energía cinética y energía interna. La combinación de mecánica y termodinámica en un fluido.
2.5 – Forma conservativa de una ecuación para un medio continuo. Cierre de las ecuaciones. Carácter no lineal.
TEMA 3. FLUIDOS SIN VISCOSIDAD
3.1 – Ecuación de Euler.
3.2 – Movimiento potencial alrededor de obstáculos. Presión de empuje.
3.3 – Ejemplos de movimiento compresible: (a) el viento solar; (b) la acreción esférica sobre objetos astrofísicos.
3.4 – Vorticidad. Principio de la circulación de Kelvin.
Temas complementarios optativos:
– Aerodinámica. Perfiles aerodinámicos. Circulación de Zhukovski. Fuerza de sustentación en alas de avión: teorema de Kutta–Zhukovski.
TEMA 4. FUNDAMENTACIÓN MICROSCÓPICA DE LAS ECUACIONES DE LOS FLUIDOS.
4.1 – La aproximación del continuo: criterio de separación de escalas.
4.2 – El concepto de Equilibrio Termodinámico Local.
4.3 – Cálculo elemental de teoría cinética de presión y viscosidad
4.4 – La ecuación de la entropía. Flujo de entropía. Fuentes de entropía. Irreversibilidad en termodinámica e irreversibilidad en fluidos.
TEMA 5. VISCOSIDAD.
5.1 – Fuerzas de superficie. Tensor de esfuerzos. Teorema de Cauchy
5.2 – La ecuación del impulso con tensor genérico de esfuerzos.
5.3 – El tensor de esfuerzos viscosos como fenómeno de transporte microscópico. Fluidos Newtonianos.
5.4 – Ecuación de Navier–Stokes. Número de Reynolds.
5.5 – La ecuación de la energía para el caso viscoso.
Temas complementarios optativos:
– El electromagnetismo y la física de continuos. Tensor de esfuerzos de Maxwell. Presión y tensión electromagnéticas. Densidad de impulso y flujo de energía del campo.
– Capas límite.
– Los discos de acreción alrededor de objetos astrofísicos
– Breve introducción a los fluidos relativistas: tensor de energía–impulso de la relatividad y leyes de conservación de los fluidos.
TEMA 6. ONDAS LINEALES EN LOS GASES
6.1 – Tratamiento perturbativo de ecuaciones no lineales. Linealización de las ecuaciones de los gases. Ondas de sonido (o de presión).
6.2 – Tratamiento de Fourier. Ecuación de autovalores. Relación de dispersión. Modos normales.
6.3 – Ondas de sonido de amplitud no pequeña: la no linealidad y la transición espontánea a las ondas de choque.
Temas complementarios optativos:
– Equilibrio inhomogéneo. Aproximación WKB. Velocidad de fase y velocidad de grupo. Trazado de rayos.
– Ondas de gravedad en interiores estelares.
TEMA 7. FRENTES DE CHOQUE
7.1 – Los frentes de choque: un fenómeno inevitable y omnipresente en el Universo.
7.2 – Ecuaciones de conservación a través de un frente de choque. Relaciones de salto de Rankine – Hugoniot. Números de Mach: régimen supersónico y subsónico.
7.3 – Choques débiles. Choques fuertes: termalización de la energía cinética entrante.
7.4 – Ejemplos en tierra y ejemplos astrofísicos. Explosiones. Restos de Supernova. Columnas de acreción sobre enanas blancas o estrellas de neutrones.
Tema complementario optativo:
– La transmisión de información en los gases. Curvas características. Los choques como resultado natural ineludible de las compresiones.
PRELIMINARY NOTE:
The program contains a number of optional complementary topics. They will be offered to the students depending on the general progress of the main topics of the course and, also, on the interest of the students.
Chapter 1 – THE DESCRIPTION OF A CONTINUOUS AND DEFORMABLE MEDIUM
1.1 – The Euler and Lagrange descriptions: multidimensional maps versus fluid element tracking. The Lagrange derivative.
1.2 – The relative motion of neighboring fluid elements. The expansion, rotation and strain tensors.
1.3 – Mass, momentum and energy of finite volumes and parcels of fluid. Volume forces and surface forces.
Chapter 2 – THE CONSERVATION LAWS FOR A FLUID
2.1 – The variation in time of integrated quantities in finite fluid parcels: Reynolds Theorem
2.2 – The mass conservation law (i.e., the continuity equation). Precise definition of the concepts ‘volume density’ and ‘flux across surfaces’ of physical quantities.
2.3 – The momentum equation
2.4 – The total energy equation. Separation into equations for the kinetic and internal energy. The natural combination of mechanics and thermodynamics occurring in a fluid.
2.5 – The canonical conservation form for the equations of a continuous medium. Closure of the system of equations. Their intrinsically non-linear character.
Chapter 3 - NON-VISCOUS FLUIDS
3.1 - Euler equation
3.2 – Motion around obstacles. The classical potential flow problem. Ram pressure.
3.3 – Compressible motion: astrophysical example. The solar wind.
3.4 – Vorticity. Kelvin’s circulation theorem.
Optional complementary topics
– Aerodynamics. The lift force on aerodynamic profiles: Kutta-Zhukovski theorem. The Zhukovski transformation and the Kutta condition for the flow around wings.
Chapter 4 – THE MICROSCOPIC FOUNDATIONS OF THE FLUID EQUATIONS
4.1 – The continuum approximation: the criterion of scale separation in space and time. Local thermodynamic equilibrium.
4.2 – Statistical averages and macroscopic fluid quantities. The bulk kinetic energy of the flow. The internal energy due to the translational degrees of freedom.
4.3 – The calculation of pressure and viscosity in kinetic theory: elementary considerations.
4.4 – The entropy equation. Entropy flux. Sources and sinks of entropy. Irreversibility in thermodynamics and irreversibility in fluid dynamics.
Chapter 5 - VISCOSITY.
5.1 – Surface forces. Stress tensor. Cauchy theorem.
5.2 – The momentum equation for a generic stress tensor.
5.3 – The viscous stress tensor as a microscopic transport phenomenon. Newtonian fluids.
5.4 – The Navier-Stokes equation. Reynolds number.
5.5 – The energy equation for the viscous case. The irreversible heating through viscosity.
Optional complementary topics:
– Electromagnetism and fluid dynamics. The Maxwell stress tensor. Electromagnetic pressure and tension. Volume density and flux of the electromagnetic energy.
– Boundary layers
– Accretion discs around astrophysical objects.
– Brief introduction to relativistic fluids. The stress-energy tensor and the conservation laws for relativistic fluids.
Chapter 6 – LINEAR WAVES IN GASES.
6.1 – Perturbation treatment of the non-linear equations. Linearization of the gas equations. Pressure waves (also known as sound waves).
6.2 – Fourier analysis. Eigenvalue equation. Dispersion relation. The eigenvectors as normal modes.
6.3 – Sound waves of finite amplitude. Nonlinearity and spontaneous transition to shock waves.
Optional complementary topics:
– Inhomogeneous equilibrium. The WKB approximation. Phase speed and group speed. Ray tracing: geometrical acoustics.
– Gravity waves in stellar interiors.
Chapter 7 – SHOCK FRONTS
7.1 – Shock fronts: a ubiquitous and unavoidable phenomenon in the Universe.
7.2 – Conservation equations across a shock front. The Rankine-Hugoniot jump conditions. Mach numbers: supersonic and subsonic regimes.
7.3 – Weak shocks. Strong shocks: thermalization of the incoming kinetic energy flux.
7.4 – Examples: explosions in general. Supernova remnants. Accretion columns on white dwarf stars or neutron stars.
Optional complementary topic:
– The transmission of information in gases. Characteristic curves. The shock fronts as the natural, inescapable result of compressions in gases.
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Español:
NOTA PRELIMINAR:
los temas complementarios optativos indicados en el programa se podrán ofertar en función de la marcha del curso y del interés por parte de los alumnos.
TEMA 1 – CÓMO TRATAR UN MEDIO CONTINUO Y DEFORMABLE
1.1 – Imagen de Euler e imagen de Lagrange: mapas 3D frente a seguimiento de elementos de fluido.
1.2 – El movimiento relativo de elementos próximos: tensor de expansión, rotación y deformación.
1.3 – Masa, impulso y energía de volúmenes de fluido. Fuerzas de volumen y fuerzas de superficie.
TEMA 2. LEYES DE CONSERVACIÓN PARA UN FLUIDO.
2.1 – Variación temporal de contenidos de un trozo de fluido: teorema de Reynolds.
2.2 – Ley de conservación de la masa. Definición precisa de los conceptos densidad volumétrica y flujo de magnitudes físicas.
2.3 – Ecuación del impulso.
2.4 – Ecuación de la energía total. Ecuaciones separadas para energía cinética y energía interna. La combinación de mecánica y termodinámica en un fluido.
2.5 – Forma conservativa de una ecuación para un medio continuo. Cierre de las ecuaciones. Carácter no lineal.
TEMA 3. FLUIDOS SIN VISCOSIDAD
3.1 – Ecuación de Euler.
3.2 – Movimiento potencial alrededor de obstáculos. Presión de empuje.
3.3 – Ejemplos de movimiento compresible: (a) el viento solar; (b) la acreción esférica sobre objetos astrofísicos.
3.4 – Vorticidad. Principio de la circulación de Kelvin.
Temas complementarios optativos:
– Aerodinámica. Perfiles aerodinámicos. Circulación de Zhukovski. Fuerza de sustentación en alas de avión: teorema de Kutta–Zhukovski.
TEMA 4. FUNDAMENTACIÓN MICROSCÓPICA DE LAS ECUACIONES DE LOS FLUIDOS.
4.1 – La aproximación del continuo: criterio de separación de escalas.
4.2 – El concepto de Equilibrio Termodinámico Local.
4.3 – Cálculo elemental de teoría cinética de presión y viscosidad
4.4 – La ecuación de la entropía. Flujo de entropía. Fuentes de entropía. Irreversibilidad en termodinámica e irreversibilidad en fluidos.
TEMA 5. VISCOSIDAD.
5.1 – Fuerzas de superficie. Tensor de esfuerzos. Teorema de Cauchy
5.2 – La ecuación del impulso con tensor genérico de esfuerzos.
5.3 – El tensor de esfuerzos viscosos como fenómeno de transporte microscópico. Fluidos Newtonianos.
5.4 – Ecuación de Navier–Stokes. Número de Reynolds.
5.5 – La ecuación de la energía para el caso viscoso.
Temas complementarios optativos:
– El electromagnetismo y la física de continuos. Tensor de esfuerzos de Maxwell. Presión y tensión electromagnéticas. Densidad de impulso y flujo de energía del campo.
– Capas límite.
– Los discos de acreción alrededor de objetos astrofísicos
– Breve introducción a los fluidos relativistas: tensor de energía–impulso de la relatividad y leyes de conservación de los fluidos.
TEMA 6. ONDAS LINEALES EN LOS GASES
6.1 – Tratamiento perturbativo de ecuaciones no lineales. Linealización de las ecuaciones de los gases. Ondas de sonido (o de presión).
6.2 – Tratamiento de Fourier. Ecuación de autovalores. Relación de dispersión. Modos normales.
6.3 – Ondas de sonido de amplitud no pequeña: la no linealidad y la transición espontánea a las ondas de choque.
Temas complementarios optativos:
– Equilibrio inhomogéneo. Aproximación WKB. Velocidad de fase y velocidad de grupo. Trazado de rayos.
– Ondas de gravedad en interiores estelares.
TEMA 7. FRENTES DE CHOQUE
7.1 – Los frentes de choque: un fenómeno inevitable y omnipresente en el Universo.
7.2 – Ecuaciones de conservación a través de un frente de choque. Relaciones de salto de Rankine – Hugoniot. Números de Mach: régimen supersónico y subsónico.
7.3 – Choques débiles. Choques fuertes: termalización de la energía cinética entrante.
7.4 – Ejemplos en tierra y ejemplos astrofísicos. Explosiones. Restos de Supernova. Columnas de acreción sobre enanas blancas o estrellas de neutrones.
Tema complementario optativo:
– La transmisión de información en los gases. Curvas características. Los choques como resultado natural ineludible de las compresiones.
Actividades a desarrollar en otro idioma
English:
- All written material given by the lecturer to the students will be in English, including all course notes, the exercise and auxiliary sheets, comments to computer programs and exam sheets.
- The theoretical lectures will be given in English. Support will be given to the students concerning specific technical terms pertaining to fluid dynamics.
- The presentation of daily exercises by the students will be either in Spanish or English depending on the students’ preferences and their proficiency in those languages. The language to use will be chosen by the students on a case-by-case basis.
Español:
- Todo el material escrito aportado por el profesor (hojas de ejercicios, hojas auxiliares, notas de clase, videos, comentarios a los programas de ordenador, hojas de examen) estará redactado en inglés.
- Las clases teóricas se impartirán en inglés. El número de ellas se adaptará a la facilidad de comprensión y comunicación en inglés por parte del alumnado. Se facilitará el aprendizaje por parte del alumnado de términos técnicos en inglés específicos de esta materia.
- La presentación de ejercicios puede realizarse en inglés de forma optativa por parte de cada alumno/a, caso de poseer suficiente fluidez en dicho idioma.
- All written material given by the lecturer to the students will be in English, including all course notes, the exercise and auxiliary sheets, comments to computer programs and exam sheets.
- The theoretical lectures will be given in English. Support will be given to the students concerning specific technical terms pertaining to fluid dynamics.
- The presentation of daily exercises by the students will be either in Spanish or English depending on the students’ preferences and their proficiency in those languages. The language to use will be chosen by the students on a case-by-case basis.
Español:
- Todo el material escrito aportado por el profesor (hojas de ejercicios, hojas auxiliares, notas de clase, videos, comentarios a los programas de ordenador, hojas de examen) estará redactado en inglés.
- Las clases teóricas se impartirán en inglés. El número de ellas se adaptará a la facilidad de comprensión y comunicación en inglés por parte del alumnado. Se facilitará el aprendizaje por parte del alumnado de términos técnicos en inglés específicos de esta materia.
- La presentación de ejercicios puede realizarse en inglés de forma optativa por parte de cada alumno/a, caso de poseer suficiente fluidez en dicho idioma.