Hegedus Aerodynamics

Derivation of Vector Form of Viscous Terms for Aero Troll CFD

Note: the equations below require MathML to be displayed.

Starting Equations (Ref. 1)

F ^ v = 1 J 0 ξ x τ x x + ξ y τ x y + ξ z τ x z ξ x τ x y + ξ y τ y y + ξ z τ y z ξ x τ x z + ξ y τ y z + ξ z τ z z ξ x b x + ξ y b y + ξ z b z , G ^ v = 1 J 0 η x τ x x + η y τ x y + η z τ x z η x τ x y + η y τ y y + η z τ y z η x τ x z + η y τ y z + η z τ z z η x b x + η y b y + η z b z , H ^ v = 1 J 0 ζ x τ x x + ζ y τ x y + ζ z τ x z ζ x τ x y + ζ y τ y y + ζ z τ y z ζ x τ x z + ζ y τ y z + ζ z τ z z ζ x b x + ζ y b y + ζ z b z b x = u τ x x + v τ x y + w τ x z - q x b y = u τ x y + v τ y y + w τ y z - q y b z = u τ x z + v τ y z + w τ z z - q z τ x x = 2 3 μ 2 u x - v y - w z τ y y = 2 3 μ 2 v y - u x - w z τ z z = 2 3 μ 2 w z - u x - v y τ x y = μ u y + v x τ x z = μ w x + u z τ x z = μ w x + u z τ y z = μ v z + w y q x = - κ a 2 x , q y = - κ a 2 y , q z = - κ a 2 z x = ξ x ξ + η x η + ς x ζ y = ξ y ξ + η y η + ς y ζ z = ξ z ξ + η z η + ς z ζ

Derive Vector Equations

F ^ v = 1 J 0 f ^ v , ρu f ^ v , ρv f ^ v , ρw f ^ v , ρe 0 , G ^ v = 1 J 0 g ^ v , ρu g ^ v , ρv g ^ v , ρw g ^ v , ρe 0 , H ^ v = 1 J 0 h ^ v , ρu h ^ v , ρv h ^ v , ρw h ^ v , ρe 0 f ^ v , ρu = ξ x τ x x + ξ y τ x y + ξ z τ x z , g ^ v , ρu = η x τ x x + η y τ x y + η z τ x z , h ^ v , ρu = ζ x τ x x + ζ y τ x y + ζ z τ x z f ^ v , ρv = ξ x τ x y + ξ y τ y y + ξ z τ y z , g ^ v , ρv = η x τ x y + η y τ y y + η z τ y z , h ^ v , ρv = ζ x τ x y + ζ y τ y y + ζ z τ y z f ^ v , ρw = ξ x τ x z + ξ y τ y z + ξ z τ z z , g ^ v , ρw = η x τ x z + η y τ y z + η z τ z z , h ^ v , ρw = ζ x τ x z + ζ y τ y z + ζ z τ z z f ^ v , ρe 0 = ξ x b x + ξ y b y + ξ z b z , g v , ρe 0 = η x b x + η y b y + η z b z , h ^ v , ρe 0 = ζ x b x + ζ y b y + ζ z b z

Momentum equation

f ^ v , ρu equation.

f ^ v , ρu = ξ x τ x x + ξ y τ x y + ξ z τ x z = μ ξ x 2 3 2 ξ x u ξ + 2 η x u η + 2 ζ x u ζ - ξ y v ξ - η y v η - ζ y v ζ - ξ z w ξ - η z w η - ζ z w ζ + ξ y ξ y u ξ + η y u η + ζ y u ζ + ξ x v ξ + η x v η + ζ x v ζ + ξ z ξ x w ξ + η x w η + ζ x w ζ + ξ z u ξ + η z u η + ζ z u ζ = μ ξ x 2 3 2 ξ x u ξ + 2 η x u η + 2 ζ x u ζ - ξ y v ξ - η y v η - ζ y v ζ - ξ z w ξ - η z w η - ζ z w ζ + ξ y ξ y u ξ + η y u η + ζ y u ζ + ξ x v ξ + η x v η + ζ x v ζ + ξ z ξ x w ξ + η x w η + ζ x w ζ + ξ z u ξ + η z u η + ζ z u ζ = μ ξ x 2 3 3 ξ x u ξ + 3 η x u η + 3 ζ x u ζ - ξ x u ξ - ξ y v ξ - ξ z w ξ - η x u η - η y v η - η z w η - ζ x u ζ - ζ y v ζ - ζ z w ζ + ξ y ξ y u ξ + η y u η + ζ y u ζ + ξ x v ξ + η x v η + ζ x v ζ + ξ z ξ x w ξ + η x w η + ζ x w ζ + ξ z u ξ + η z u η + ζ z u ζ = μ ξ x 2 ξ x u ξ + 2 η x u η + 2 ζ x u ζ - 2 3 ξ · Δ U ξ - 2 3 η · Δ U η - 2 3 ζ · Δ U ζ + ξ y ξ y u ξ + ξ y η y u η + ξ y ζ y u ζ + ξ y ξ x v ξ + ξ y η x v η + ξ y ζ x v ζ + ξ z ξ x w ξ + ξ z η x w η + ξ z ζ x w ζ + ξ z ξ z u ξ + ξ z η z u η + ξ z ζ z u ζ = μ ξ x 2 ξ x u ξ + 2 η x u η + 2 ζ x u ζ - 2 3 ξ · Δ U ξ - 2 3 η · Δ U η - 2 3 ζ · Δ U ζ + ξ y ξ y u ξ + ξ z ξ z u ξ + ξ y ξ x v ξ + ξ z ξ x w ξ + ξ y η y u η + ξ z η z u η + ξ y η x v η + ξ z η x w η + ξ y ζ y u ζ + ξ z ζ z u ζ + ξ y ζ x v ζ + ξ z ζ x w ζ = μ ξ x - 2 3 ξ · Δ U ξ - 2 3 η · Δ U η - 2 3 ζ · Δ U ζ + ξ x ξ x u ξ + ξ y ξ y u ξ + ξ z ξ z u ξ + ξ x ξ x u ξ + ξ x ξ y v ξ + ξ x ξ z w ξ + ξ x η x u η + ξ y η y u η + ξ z η z u η + η x ξ x u η + η x ξ y v η + η x ξ z w η + ξ x ζ x u ζ + ξ y ζ y u ζ + ξ z ζ z u ζ + ζ x ξ x u ζ + ζ x ξ y v ζ + ζ x ξ z w ζ = μ ξ x 2 3 - ξ · Δ U ξ - η · Δ U η - ζ · Δ U ζ + ξ · ξ u ξ + ξ x ξ · Δ U ξ + ξ · η u η + η x ξ · Δ U η + ξ · ζ u ζ + ζ x ξ · Δ U ζ = μ ξ x 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · ξ u ξ + ξ · η u η + ξ · ζ u ζ - ξ x η · Δ U η + η x ξ · Δ U η - ξ x ζ · Δ U ζ + ζ x ξ · Δ U ζ = μ ξ x 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · ξ u ξ + ξ · η u η + ξ · ζ u ζ + Δ U η · ξ η x - Δ U η · η ξ x + Δ U ζ · ξ ζ x - Δ U ζ · ζ ξ x f ^ v , ρv equation.
f ^ v , ρv = ξ x τ x y + ξ y τ y y + ξ z τ y z = μ ξ x ξ y u ξ + η y u η + ζ y u ζ + ξ x v ξ + η x v η + ζ x v ζ + ξ y 2 3 2 ξ y v ξ + 2 η y v η + 2 ζ y v ζ - ξ x u ξ - η x u η - ζ x u ζ - ξ z w ξ - η z w η - ζ z w ζ + ξ z ξ z v ξ + η z v η + ζ z v ζ + ξ y w ξ + η y w η + ζ y w ζ = μ ξ x ξ y u ξ + η y u η + ζ y u ζ + ξ x v ξ + η x v η + ζ x v ζ + ξ y 2 3 2 ξ y v ξ + 2 η y v η + 2 ζ y v ζ - ξ x u ξ - η x u η - ζ x u ζ - ξ z w ξ - η z w η - ζ z w ζ + ξ z ξ z v ξ + η z v η + ζ z v ζ + ξ y w ξ + η y w η + ζ y w ζ = μ ξ x ξ y u ξ + η y u η + ζ y u ζ + ξ x v ξ + η x v η + ζ x v ζ + ξ y 2 3 3 ξ y v ξ + 3 η y v η + 3 ζ y v ζ - ξ x u ξ - ξ y v ξ - ξ z w ξ - η x u η - η y v η - η z w η - ζ x u ζ - ζ y v ζ - ζ z w ζ + ξ z ξ z v ξ + η z v η + ζ z v ζ + ξ y w ξ + η y w η + ζ y w ζ = μ ξ x ξ y u ξ + ξ x η y u η + ξ x ζ y u ζ + ξ x ξ x v ξ + ξ x η x v η + ξ x ζ x v ζ + ξ y 2 ξ y v ξ + 2 η y v η + 2 ζ y v ζ - 2 3 ξ · Δ U ξ - 2 3 η · Δ U η - 2 3 ζ · Δ U ζ + ξ z ξ z v ξ + ξ z η z v η + ξ z ζ z v ζ + ξ z ξ y w ξ + ξ z η y w η + ξ z ζ y w ζ = μ ξ y 2 ξ y v ξ + 2 η y v η + 2 ζ y v ζ - 2 3 ξ · Δ U ξ - 2 3 η · Δ U η - 2 3 ζ · Δ U ζ + ξ x ξ x v ξ + ξ z ξ z v ξ + ξ x ξ y u ξ + ξ z ξ y w ξ + ξ x η x v η + ξ z η z v η + ξ x η y u η + ξ z η y w η + ξ x ζ x v ζ + ξ z ζ z v ζ + ξ x ζ y u ζ + ξ z ζ y w ζ = μ ξ y - 2 3 ξ · Δ U ξ - 2 3 η · Δ U η - 2 3 ζ · Δ U ζ + ξ x ξ x v ξ + ξ y ξ y v ξ + ξ z ξ z v ξ + ξ y ξ x u ξ + ξ y ξ y v ξ + ξ y ξ z w ξ + ξ x η x v η + ξ y η y v η + ξ z η z v η + η y ξ x u η + η y ξ y v η + η y ξ z w η + ξ x ζ x v ζ + ξ y ζ y v ζ + ξ z ζ z v ζ + ζ y ξ x u ζ + ζ y ξ y v ζ + ζ y ξ z w ζ = μ ξ y 2 3 - ξ · Δ U ξ - η · Δ U η - ζ · Δ U ζ + ξ · ξ v ξ + ξ y ξ · Δ U ξ + ξ · η v η + η y ξ · Δ U η + ξ · ζ v ζ + ζ y ξ · Δ U ζ = μ ξ y 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · ξ v ξ + ξ · η v η + ξ · ζ v ζ - ξ y η · Δ U η + η y ξ · Δ U η - ξ y ζ · Δ U ζ + ζ y ξ · Δ U ζ = μ ξ y 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · ξ v ξ + ξ · η v η + ξ · ζ v ζ + Δ U η · ξ η y - Δ U η · η ξ y + Δ U ζ · ξ ζ y - Δ U ζ · ζ ξ y Similarly, f ^ v , ρw is found.

f ^ v , ρw = ξ x τ x z + ξ y τ y z + ξ z τ z z = μ ξ z 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · ξ w ξ + ξ · η w η + ξ · ζ w ζ + Δ U η · ξ η z - Δ U η · η ξ z + Δ U ζ · ξ ζ z - Δ U ζ · ζ ξ z Combining the above, the vector form of the viscous portion of the momentum equation, f ^ v , ρU , is found.
μ ξ 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · ξ Δ U ξ + ξ · η Δ U η + ξ · ζ Δ U ζ + Δ U η · ξ η - Δ U η · η ξ + Δ U ζ · ξ ζ - Δ U ζ · ζ ξ or
μ ξ 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · ξ Δ U ξ + ξ · η Δ U η + ξ · ζ Δ U ζ + Δ U η × η × ξ + Δ U ζ × ζ × ξ Similarly, g ^ v , ρU is found.
μ η 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + η · ξ Δ U ξ + η · η Δ U η + η · ζ Δ U ζ + Δ U ξ · η ξ - Δ U ξ · ξ η + Δ U ζ · η ζ - Δ U ζ · ζ η or
μ η 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + η · ξ Δ U ξ + η · η Δ U η + η · ζ Δ U ζ + Δ U ξ × ξ × η + Δ U ζ × ζ × η Similarly, h ^ v , ρU is found.
μ ζ 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ζ · ξ Δ U ξ + ζ · η Δ U η + ζ · ζ Δ U ζ + Δ U ξ · ζ ξ - Δ U ξ · ξ ζ + Δ U η · ζ η - Δ U η · η ζ or
μ ζ 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ζ · ξ Δ U ξ + ζ · η Δ U η + ζ · ζ Δ U ζ + Δ U ξ × ξ × ζ + Δ U η × η × ζ


Energy equation

f ^ v , ρe 0 equation.

f ^ v , ρe 0 = ξ x b x + ξ y b y + ξ z b z = ξ x u τ x x + v τ x y + w τ x z + ξ y u τ x y + v τ y y + w τ y z + ξ z u τ x z + v τ y z + w τ z z - ξ x q x - ξ y q y - ξ z q z = u ξ x τ x x + ξ y τ x y + ξ y τ x z + v ξ x τ x y + ξ y τ y y + ξ z τ y z + w ξ x τ x z + ξ y τ y z + ξ z τ z z - ξ x q x - ξ y q y - ξ z q z Focusing on the last three terms.

- ξ x q x - ξ y q y - ξ z q z = κ ξ x a 2 x + ξ y a 2 y + ξ z a 2 z = κ ξ x ξ x a 2 ξ + η x a 2 η + ζ x a 2 ζ + ξ y ξ y a 2 ξ + η y a 2 η + ζ y a 2 ζ + ξ z ξ z a 2 ξ + η z a 2 η + ζ z a 2 ζ = κ ξ x ξ x + ξ y ξ y + ξ z ξ z a 2 ξ + ξ x η x + ξ y η y + ξ z η z a 2 η + ξ x ζ x + ξ y ζ y + ξ z ζ z a 2 ζ = κ ξ · ξ a 2 ξ + ξ · η a 2 η + ξ · ζ a 2 ζ Putting it back together.

f ^ v , ρe 0 = u ξ x τ x x + ξ y τ x y + ξ y τ x z + v ξ x τ x y + ξ y τ y y + ξ z τ y z + w ξ x τ x z + ξ y τ y z + ξ z τ z z + κ ξ · ξ a 2 ξ + ξ · η a 2 η + ξ · ζ a 2 ζ f ^ v , ρe 0 = f ^ v , ρU · U + κ ξ · ξ a 2 ξ + ξ · η a 2 η + ξ · ζ a 2 ζ Similarily:

g ^ v , ρe 0 = g ^ v , ρU · U + κ η · ξ a 2 ξ + η · η a 2 η + η · ζ a 2 ζ h ^ v , ρe 0 = h ^ v , ρU · U + κ ζ · ξ a 2 ξ + ζ · η a 2 η + ζ · ζ a 2 ζ


Axisymmetric

The following geometry relation will be assumed.

η · ξ = 0 η · ζ = 0 g ^ v , ρv equation.
g ^ v , ρv = μ η 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + η · η Δ U η + Δ U ξ · η ξ - Δ U ξ · ξ η + Δ U ζ · η ζ - Δ U ζ · ζ η Next, taking the vector triple product
η × η × Δ U η = η · Δ U η η - η · η Δ U η and rearranging it
η · η Δ U η = η · Δ U η η - η × η × Δ U η and then inserting it in the g ^ v , ρv equation leads to
g ^ v , ρv = μ η 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + η · Δ U η η - η × η × Δ U η + Δ U ξ · η ξ - Δ U ξ · ξ η + Δ U ζ · η ζ - Δ U ζ · ζ η Next, the velocity difference in the η direction is given by
Δ U η = U × Δ Θ where
Δ Θ is along the axis.

Assuming U is in the η plane, then
η × Δ U η = 0 η · Δ U ξ = 0 η · Δ U ζ = 0 ξ · Δ U η = 0 ζ · Δ U η = 0 Therefore
g ^ v , ρv = μ η 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + η · Δ U η η - Δ U ξ · ξ η - Δ U ζ · ζ η = μ η 2 3 - ξ · Δ U ξ + 2 η · Δ U η - ζ · Δ U ζ = μ η 2 3 - ξ · Δ U ξ + 2 η · U × Δ Θ - ζ · Δ U ζ = μ η 2 3 - ξ · Δ U ξ + 2 Δ Θ × η · U - ζ · Δ U ζ Dot products are independent of the η index, therefore the following results when differencing in η direction.
Δ η g ^ v , ρv = μ i , j , k η i , j + 1/2 , k - η i , j - 1/2 , k 2 3 - ξ · Δ U ξ + 2 Δ Θ × η · U - ζ · Δ U ζ i , j , k Δ η g ^ v , ρv = μ i , j , k 1 2 S i , j + 1 , k η vol i , j + 1 , j - S i , j - 1 , k η vol i , j - 1 , k 2 3 - ξ · Δ U ξ + 2 Δ Θ × η · U - ζ · Δ U ζ i , j , k Where S is the area vector for a given cell side (η in this case) and vol is the volume of the cell.

Next, the relationship that the area vectors of the cell walls must add to zero will be used.
S i + 1 , j , k ξ - S i - 1 , j , k ξ + S i , j + 1 , k η - S i , j - 1 , k η + S i , j , k + 1 ζ - S i , j , k - 1 ζ = 0 Rearranging,
S i , j + 1 , k η - S i , j - 1 , k η = - S i + 1 , j , k ξ - S i - 1 , j , k ξ - S i , j , k + 1 ζ - S i , j , k - 1 ζ Substituting this into Δ η g ^ v , ρv gives
Δ η g ^ v , ρv = - μ i , j , k 1 2 S i + 1 , j , k ξ - S i - 1 , j , k ξ + S i , j k + 1 ζ - S i , j , k - 1 ζ vol i , j , k 2 3 - ξ · Δ U ξ + 2 Δ Θ × η · U - ζ · Δ U ζ i , j , k


3D Thin Layer Set

Rearrange the 3D viscous momentum equations.

f ^ v , ρU = μ ξ 1 3 ξ · Δ U ξ + ξ · ξ Δ U ξ + μ ξ 1 3 η · Δ U η + ζ · Δ U ζ + ξ · η Δ U η + ξ · ζ Δ U ζ + Δ U η × η × ξ + Δ U ζ × ζ × ξ g ^ v , ρU = μ η 1 3 η · Δ U η + η · η Δ U η + μ η 1 3 ξ · Δ U ξ + ζ · Δ U ζ + η · ξ Δ U ξ + η · ζ Δ U ζ + Δ U ξ × ξ × η + Δ U ζ × ζ × η h ^ v , ρ U = μ ζ 1 3 ζ · Δ U ζ + ζ · ζ Δ U ζ + μ ζ 1 3 ξ · Δ U ξ + η · Δ U η + ζ · ξ Δ U ξ + ζ · η Δ U η + Δ U ξ × ξ × ζ + Δ U η × η × ζ Next, the cross product and dot terms are dropped, leaving only the thin-layer set.

f ^ v , ρU = μ ξ 1 3 ξ · Δ U ξ + ξ · ξ Δ U ξ f ^ v , ρe 0 = f ^ v , ρU · U + κ ξ · ξ a 2 ξ g ^ v , ρU = μ η 1 3 η · Δ U η + η · η Δ U η g ^ v , ρe 0 = g ^ v , ρU · U + κ η · η a 2 η h ^ v , ρ U = μ ζ 1 3 ζ · Δ U ζ + ζ · ζ Δ U ζ h ^ v , ρe 0 = h ^ v , ρU · U + κ ζ · ζ a 2 ζ


Viscous Jacobian

The viscous Jacobians are derived from the 3D thin layer set.

To help derive the viscous Jacobian the following viscous solution vector is defined.

Q v = ρ ρ u ρ ρ v ρ ρ w ρ ρ e 0 The viscous Jacobian in the η direction is then defined as follows.

F ^ v Q = F ^ v Q v Q v Q The derivative of the viscous Flux is then split into a part that explicitly contains the velocity and explicitly contains the speed of sound.

F ^ v Q v = F ^ v U + F ^ v a 2 a 2 Q v Starting with, f ^ v , ρ U U

f ^ v , ρ U = μ ξ 1 3 ξ · Δ U ξ + ξ · ξ Δ U ξ = μ 1 3 ξ x ξ x + ξ · ξ 1 3 ξ x ξ y 1 3 ξ x ξ z 1 3 ξ y ξ x 1 3 ξ y ξ y + ξ · ξ 1 3 ξ y ξ z 1 3 ξ z ξ x 1 3 ξ z ξ y 1 3 ξ z ξ z + ξ · ξ Δ u Δ v Δ w f ^ v , ρ U = μ k · k 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 Δ u Δ v Δ w f ^ v , ρ U U = μ k · k 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 Next, f ^ v , ρ U · U U

f ^ v , ρ U · U = μ k · k 1 2 u i + 1 + u i v i + 1 + v i w i + 1 + w i 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 Δ u Δ v Δ w f ^ v , ρ U · U u = μ k · k 1 2 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 Δ u ξ Δ v ξ Δ w ξ + u i + 1 + u i v i + 1 + v i w i + 1 + w i 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 1 0 0 Since the transpose of a scaler is equal to the scaler, the second matrix multiplication set can be transposed.

f ^ v , ρ U · U u = μ k · k 1 2 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 Δ u ξ Δ v ξ Δ w ξ + 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 u i + 1 + u i v i + 1 + v i w i + 1 + w i f ^ v , ρ U · U u = μ k · k 1 2 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 Δ u ξ + u i + 1 + u i Δ v ξ + v i + 1 + v i Δ w ξ + w i + 1 + w i f ^ v , ρ U · U u = μ k · k 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 u v w f ^ v , ρ U · U u = μ k · k 1 3 k ~ x k ~ · U + u Finally the derivative of the viscous flux due to the explicit velocity terms is,

F ^ v U = μ k · k 0 0 0 0 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 0 0 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 0 0 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ · U + u 1 3 k ~ y k ~ · U + v 1 3 k ~ z k ~ · U + w 0 Next, F ^ v a 2 a 2 Q v

But first a2ξ must be placed in terms of the viscous solution vector.

a 2 ξ = γ p ρ ξ = γ ρ p ξ - γ p ρ 2 ρ ξ p = γ - 1 ρ e 0 - 1 2 ρ u 2 + v 2 + w 2 p ξ = γ - 1 ρ e 0 ξ - 1 2 u 2 + v 2 + w 2 ρ ξ - ρ u u ξ - ρ v v ξ - ρ w w ξ a 2 ξ = γ γ - 1 ρ ρ e 0 ξ - 1 2 u 2 + v 2 + w 2 ρ ξ - ρ u u ξ - ρ v v ξ - ρ w w ξ - γ γ - 1 ρ ρ e 0 - 1 2 ρ u 2 + v 2 + w 2 ρ ρ ξ a 2 ξ = γ γ - 1 ρ ρ e 0 ξ - ρ u u ξ - ρ v v ξ - ρ w w ξ - ρ e 0 ρ ρ ξ By inspection it can be seen that:

F ^ v a 2 a 2 Q v = κ k · k γ γ - 1 ρ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - ρ e 0 ρ - ρ u - ρ v - ρ w 1 Therefore the derivative of the viscous flux with respect to the viscous solution vector when taking into account that κ=μPrγ-1, becomes:

F ^ v Q v = μ k · k 0 0 0 0 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 0 0 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 0 0 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ · U + u 1 3 k ~ y k ~ · U + v 1 3 k ~ z k ~ · U + w 0 + μ Pr k · k γ ρ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - ρ e 0 ρ - ρ u - ρ v - ρ w 1 Next, dealing with QvQ.

Q v Q = 1 0 0 0 0 0 1 ρ 0 0 0 0 0 1 ρ 0 0 0 0 0 1 ρ 0 0 0 0 0 1 - 0 0 0 0 0 ρ u ρ 2 0 0 0 0 ρ v ρ 2 0 0 0 0 ρ w ρ 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Q v Q = 1 0 0 0 0 - ρ u ρ 2 1 ρ 0 0 0 - ρ v ρ 2 0 1 ρ 0 0 - ρ w ρ 2 0 0 1 ρ 0 0 0 0 0 1 Putting it all together.

F ^ v Q v Q v Q = μ k · k 0 0 0 0 0 0 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 0 0 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 0 0 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 0 0 1 3 k ~ x k ~ · U + u 1 3 k ~ y k ~ · U + v 1 3 k ~ z k ~ · U + w 0 + μ Pr k · k γ ρ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - ρ e 0 ρ - ρ u - ρ v - ρ w 1 1 0 0 0 0 - ρ u ρ 2 1 ρ 0 0 0 - ρ v ρ 2 0 1 ρ 0 0 - ρ w ρ 2 0 0 1 ρ 0 0 0 0 0 1 Results in:

F ^ v Q = μ k · k 1 ρ 0 0 0 0 0 - 1 3 k ~ x k ~ · U + u 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 0 - 1 3 k ~ y k ~ · U + v 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 0 - 1 3 k ~ z k ~ · U + w 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 0 - 1 3 k ~ · U 2 + U · U 1 3 k ~ x k ~ · U + u 1 3 k ~ y k ~ · U + v 1 3 k ~ z k ~ · U + w 0 + μ Pr k · k γ ρ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - ρ e 0 ρ - U · U - u - v - w 1 The eigenvalues for this are:

λ = μ k · k ρ 0 , 1 , 1 , 4 3 , γ Pr

Diagonal Viscous Jacobian

F ^ v Q = T k T k - 1 F ^ v Q U + F ^ v Q a T k T k - 1 Velocity part.

T k - 1 F ^ v Q U T k = μ k · k 1 ρ T k - 1 0 0 0 0 0 - 1 3 k ~ x k ~ · U + u 1 3 k ~ x k ~ x + 1 1 3 k ~ x k ~ y 1 3 k ~ x k ~ z 0 - 1 3 k ~ y k ~ · U + v 1 3 k ~ y k ~ x 1 3 k ~ y k ~ y + 1 1 3 k ~ y k ~ z 0 - 1 3 k ~ z k ~ · U + w 1 3 k ~ z k ~ x 1 3 k ~ z k ~ y 1 3 k ~ z k ~ z + 1 0 - 1 3 k ~ · U 2 + U · U 1 3 k ~ x k ~ · U + u 1 3 k ~ y k ~ · U + v 1 3 k ~ z k ~ · U + w 0 k ~ x k ~ y k ~ z α α k ~ x u k ~ y u - k ~ z ρ k ~ z u + k ~ y ρ α u + k ~ x c α u - k ~ x c k ~ x v + k ~ z ρ k ~ y v k ~ z v - k ~ x ρ α v + k ~ y c α v - k ~ y c k ~ x w - k ~ y ρ k ~ y w + k ~ x ρ k ~ z w α w + k ~ z c α w - k ~ z c k ~ x ϕ 2 γ - 1 + ρ k ~ z v - k ~ y w k ~ y ϕ 2 γ - 1 + ρ k ~ x w - k ~ z u k ~ z ϕ 2 γ - 1 + ρ k ~ y u - k ~ x v α ϕ 2 + c 2 γ - 1 + c θ ~ α ϕ 2 + c 2 γ - 1 - c θ ~ T k - 1 F ^ v Q U T k = μ k · k 1 ρ T k - 1 0 0 0 0 0 0 - k ~ z ρ k ~ y ρ 4 3 α k ~ x c - 4 3 α k ~ x c k ~ z ρ 0 - k ~ x ρ 4 3 α k ~ y c - 4 3 α k ~ y c - k ~ y ρ k ~ x ρ 0 4 3 α k ~ z c - 4 3 α k ~ z c ρ k ~ z v - k ~ y w ρ k ~ x w - k ~ z u ρ k ~ y u - k ~ x v 4 3 α k ~ · U c - 4 3 α k ~ · U c T k - 1 F ^ v Q U T k = μ k · k 1 ρ k ~ x 1 - ϕ 2 c 2 - ρ - 1 k ~ z v - k ~ y w k ~ x γ - 1 u c - 2 k ~ z ρ - 1 + k ~ x γ - 1 v c - 2 - k ~ y ρ - 1 + k ~ x γ - 1 w c - 2 - k ~ x γ - 1 c - 2 k ~ y 1 - ϕ 2 c 2 - ρ - 1 k ~ x w - k ~ z u - k ~ z ρ - 1 + k ~ y γ - 1 u c - 2 k ~ y γ - 1 v c - 2 k ~ x ρ - 1 + k ~ y γ - 1 w c - 2 - k ~ y γ - 1 c - 2 k ~ z 1 - ϕ 2 c 2 - ρ - 1 k ~ y u - k ~ x v k ~ y ρ - 1 + k ~ z γ - 1 u c - 2 - k ~ x ρ - 1 + k ~ z γ - 1 v c - 2 k ~ z γ - 1 w c - 2 - k ~ z γ - 1 c - 2 β ϕ 2 - c θ ~ β k ~ x c - γ - 1 u β k ~ y c - γ - 1 v β k ~ z c - γ - 1 w β γ - 1 β ϕ 2 + c θ ~ - β k ~ x c + γ - 1 u - β k ~ y c + γ - 1 v - β k ~ z c + γ - 1 w β γ - 1 0 0 0 0 0 0 - k ~ z ρ k ~ y ρ 4 3 α k ~ x c - 4 3 α k ~ x c k ~ z ρ 0 - k ~ x ρ 4 3 α k ~ y c - 4 3 α k ~ y c - k ~ y ρ k ~ x ρ 0 4 3 α k ~ z c - 4 3 α k ~ z c ρ k ~ z v - k ~ y w ρ k ~ x w - k ~ z u ρ k ~ y u - k ~ x v 4 3 α k ~ · U c - 4 3 α k ~ · U c T k - 1 F ^ v Q U T k = μ k · k 1 ρ 1 - k ~ x k ~ x - k ~ y k ~ x - k ~ z k ~ x 0 0 - k ~ x k ~ y 1 - k ~ y k ~ y - k ~ z k ~ y 0 0 - k ~ x k ~ z - k ~ y k ~ z 1 - k ~ z k ~ z 0 0 0 0 0 2 3 - 2 3 0 0 0 - 2 3 2 3 λ U , U = 1 , 1 , 0 λ U , a = 4 3 , 0 Speed of sound part.

T k - 1 F ^ v Q a T k = μ Pr k · k γ ρ T k - 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - ρ e 0 ρ - U · U - u - v - w 1 k ~ x k ~ y k ~ z α α k ~ x u k ~ y u - k ~ z ρ k ~ z u + k ~ y ρ α u + k ~ x c α u - k ~ x c k ~ x v + k ~ z ρ k ~ y v k ~ z v - k ~ x ρ α v + k ~ y c α v - k ~ y c k ~ x w - k ~ y ρ k ~ y w + k ~ x ρ k ~ z w α w + k ~ z c α w - k ~ z c k ~ x ϕ 2 γ - 1 + ρ k ~ z v - k ~ y w k ~ y ϕ 2 γ - 1 + ρ k ~ x w - k ~ z u k ~ z ϕ 2 γ - 1 + ρ k ~ y u - k ~ x v α ϕ 2 + c 2 γ - 1 + c θ ~ α ϕ 2 + c 2 γ - 1 - c θ ~ T k - 1 F ^ v Q a T k = μ Pr k · k γ ρ T k - 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - k ~ x c 2 γ γ - 1 - k ~ y c 2 γ γ - 1 - k ~ z c 2 γ γ - 1 - α c 2 γ - α c 2 γ T k - 1 F ^ v Q a T k = μ Pr k · k 1 ρ k ~ x 1 - ϕ 2 c 2 - ρ - 1 k ~ z v - k ~ y w k ~ x γ - 1 u c - 2 k ~ z ρ - 1 + k ~ x γ - 1 v c - 2 - k ~ y ρ - 1 + k ~ x γ - 1 w c - 2 - k ~ x γ - 1 c - 2 k ~ y 1 - ϕ 2 c 2 - ρ - 1 k ~ x w - k ~ z u - k ~ z ρ - 1 + k ~ y γ - 1 u c - 2 k ~ y γ - 1 v c - 2 k ~ x ρ - 1 + k ~ y γ - 1 w c - 2 - k ~ y γ - 1 c - 2 k ~ z 1 - ϕ 2 c 2 - ρ - 1 k ~ y u - k ~ x v k ~ y ρ - 1 + k ~ z γ - 1 u c - 2 - k ~ x ρ - 1 + k ~ z γ - 1 v c - 2 k ~ z γ - 1 w c - 2 - k ~ z γ - 1 c - 2 β ϕ 2 - c θ ~ β k ~ x c - γ - 1 u β k ~ y c - γ - 1 v β k ~ z c - γ - 1 w β γ - 1 β ϕ 2 + c θ ~ - β k ~ x c + γ - 1 u - β k ~ y c + γ - 1 v - β k ~ z c + γ - 1 w β γ - 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - k ~ x c 2 γ - 1 - k ~ y c 2 γ - 1 - k ~ z c 2 γ - 1 - α c 2 - α c 2 T k - 1 F ^ v Q a T k = μ Pr k · k 1 ρ k x k x k x k y k x k z k x α γ - 1 k x α γ - 1 k y k x k y k y k y k z k y α γ - 1 k y α γ - 1 k z k x k z k y k z k z k z α γ - 1 k z α γ - 1 - k x β c 2 - k y β c 2 - k z β c 2 - γ - 1 2 - γ - 1 2 - k x β c 2 - k y β c 2 - k z β c 2 - γ - 1 2 - γ - 1 2 λ a = 2 - γ , 0 , 0 , 0 , 0

References

1) Krist, S. L., Biedron, R. T., and Rumsey, C. L., "CFL3D User's Manual (Version 5.0)," NASA TM 1998-208444, June 1998.