Dari Persamaan Navier – Stokes. Pada bagian sebelumnya, kami memperoleh hasil untuk aliran pipa laminar yang sepenuhnya terbentuk dengan menerapkan hukum kedua Newton dan asumsi fluida Newtonian pada bagian tertentu dari fluida — sebuah silinder fluida yang berpusat pada sumbu pipa yang panjang dan berbentuk bulat. Ketika hukum dan asumsi ini diterapkan pada aliran fluida umum (tidak terbatas pada aliran pipa), hasilnya adalah persamaan Navier-Stokes seperti yang dibahas di Bab 6. Pada Bagian 6.9.3, persamaan ini diselesaikan untuk geometri spesifik aliran pipa laminar yang sepenuhnya terbentuk. Hasilnya sama dengan yang diberikan dalam Persamaan 8.7.
Kami tidak akan mengulangi langkah-langkah detail yang digunakan untuk mendapatkan aliran pipa laminar dari persamaan Navier-Stokes (lihat Bagian 6.9.3), tetapi akan menunjukkan bagaimana berbagai asumsi dan langkah-langkah yang digunakan dalam turunan tersebut berkorelasi dengan analisis yang digunakan dalam bagian sebelumnya.
Gerakan umum dari fluida Newtonian inkompressibel diatur oleh persamaan kontinuitas (konservasi massa, Persamaan 6.3) dan persamaan momentum (Persamaan 6.12), yang kami tulis kembali di sini untuk kenyamanan:
Untuk aliran yang stabil dan sepenuhnya berkembang dalam sebuah pipa, kecepatan hanya mengandung komponen aksial, yang merupakan fungsi hanya dari koordinat radial (V=u(r) i^). Untuk kondisi seperti itu, sisi kiri Persamaan 8.14 adalah nol. Ini setara dengan mengatakan bahwa fluida tidak mengalami percepatan saat mengalir. Kendala yang sama digunakan dalam bagian sebelumnya ketika mempertimbangkan F=ma untuk silinder fluida. Dengan g=−gk, persamaan Navier-Stokes menjadi:
Aliran ini diperintah oleh keseimbangan tekanan, berat, dan gaya kental dalam arah aliran, mirip dengan yang ditunjukkan dalam Gambar 8.10 dan Persamaan 8.10. Jika aliran tidak sepenuhnya berkembang (seperti pada daerah masuk, misalnya), tidak mungkin menyederhanakan persamaan Navier-Stokes menjadi bentuk seperti dalam Persamaan 8.15 (term nonlinier (V⋅∇) V tidak akan nol), dan solusi akan sangat sulit untuk diperoleh.
Karena asumsi bahwa V=u(r) i^ , persamaan kontinuitas, Persamaan 8.13, secara otomatis terpenuhi. Kondisi keberlanjutan massa ini juga secara otomatis terpenuhi oleh asumsi aliran tak terkompresibel dalam penurunan pada bagian sebelumnya. Fluida mengalir melintasi satu bagian pipa dengan laju yang sama dengan melintasi bagian pipa lainnya (lihat Gambar 8.82).
Ketika ditulis dalam koordinat polar (seperti yang dilakukan dalam Bagian 6.9.3), komponen dari Persamaan 8.15 sepanjang pipa menjadi:
Karena aliran sepenuhnya berkembang, u bergantung pada r dan sisi kanan adalah fungsi, setidaknya, hanya dari r. Sisi kiri adalah fungsi, setidaknya, hanya dari x. Telah ditunjukkan bahwa ini mengarah pada kondisi gradien tekanan dalam arah x yang konstan - ∂p/∂x= Δpℓ. Kondisi yang sama digunakan dalam turunan bagian sebelumnya (Persamaan 8.32).
Dari Persamaan 8.16, terlihat bahwa efek pipa nonhorizontal masuk ke dalam persamaan Navier–Stokes dengan cara yang sama seperti yang dibahas dalam bagian sebelumnya. Gradien tekanan dalam arah aliran dikaitkan dengan efek berat dalam arah itu untuk menghasilkan gradien tekanan efektif sebesar Δp /ℓ + ρg sin(u).
Dua kondisi batas diperlukan - (1) fluida melekat pada dinding pipa (seperti yang juga dilakukan dalam Persamaan 8.72 dan 12) salah satu dari bentuk yang setara bahwa kecepatan tetap terhingga sepanjang aliran (terutama u ∞ 0 saat r=0 )atau, karena simetri, bahwa ∂u/∂r ≤0 saat r=0. Dalam turunan bagian sebelumnya, hanya satu kondisi batas (kondisi tanpa selip pada dinding( yang diperlukan karena persamaan yang diintegrasikan adalah persamaan orde pertama. Kondisi lain ∂r/∂r ≤0 saat r=0 secara otomatis tertanam dalam analisis karena fakta bahwa τ=−μ ∂u/∂r dan dinding τ=2τ dinding Dr pada r=0.
Hasil yang diperoleh dengan menerapkan F=ma pada silinder fluida atau dengan menyelesaikan persamaan Navier-Stokes adalah sama persis. Demikian pula, asumsi dasar mengenai struktur aliran juga sama. Hal ini tidak mengherankan karena kedua metode tersebut didasarkan pada prinsip yang sama - hukum kedua Newton. Salah satunya dibatasi pada aliran pipa laminar yang sepenuhnya berkembang dari awal (penggambaran diagram gaya bebas), dan yang lainnya dimulai dengan persamaan dasar yang mengatur (persamaan Navier-Stokes) dengan pembatasan yang sesuai mengenai aliran laminar yang sepenuhnya berkembang diterapkan saat proses solusi berlangsung.