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Fluid Dynamics

Assignment 4

The report should be asingle pdf le written in LATEX using the template .  The page limit is 3 pages in the format of the template, including gures, tables, and references.  In addition to the 3 pages,

please include all computer codes you used in an appendix (this appendix is not marked). Marking criteria (out of 20): mathematical content (accuracy, relevance) , 5 marks; computing (accuracy, scope), 5 marks; write up (engagement of the reader, style), 5 marks; presentation of the report (figures, captions, references, typesetting), 5 marks.

This assignment is based on the notebook Assignment4TwoDimNavierStokes .ipynb provided to solve the Navier–Stokes equation in two dimensions in a doubly periodic domain.  The function NavSto2D solve takes as input the initial vorticity eld a(x, y, t = 0), discretised as the variable z init, and a few parameters, and outputs the vorticity eld a(x, y, t), discretised as zeta, at a sequences of times given in the variable times. The energy at these times is output in the variable energy.

The example codes provided solve the Navier–Stokes equation for two (finite-size) vortex dipoles, with opposite-sign and same-sign vorticity.  Use this as a starting point to examine how the predictions of point-vortex models of dipoles in Workshop 3 relate to the dynamics of finite-size dipoles governed by the Navier–Stokes equation. Possible points to consider are:

· how to estimate suitable circulations kk for the point-vortex models from the initial vor- ticity eld or from the (discretised) vorticity eld at later times,

· how to estimate a suitable distance between point vortices,

· how well the formula for the speed of the travelling dipole predicts the motion of the finite-size same-sign dipole,

· the evolution of the energy

E =     (u2 + v2 ) d● = -  华a d●

(why does the second equality hold?),

· the impact of the value of the viscosity v,

· some limitations of the code (e.g. the drawbacks of the periodic setup, which implies that the elds are repeated periodically to tile the entirety of R2).

These are suggestions only. You do not need to discuss all of them, and you can examine other aspects.  Credit will be given for all well-argued, well-illustrated points you choose to make within the 3-page limit.