De oplossing van de differentiaalvergelijking die de stroming in een kanaal beschrijft, kan op twee manieren worden benaderd: direct of via de Fourier-transformatie (FFT). Laten we beide methoden in detail bekijken en vervolgens enkele specifieke gevallen, zoals het geval van elliptische kanalen, bespreken.

De directe oplossing van de vergelijking voor stationaire laminaire stroming in een kanaal kan worden verkregen door de vergelijking twee keer te integreren. Dit leidt, onder de voorwaarde van een Dirichlet-grensvoorwaarde, tot het snelheidsprofiel:

U(y)=12(1y2)U(y) = \frac{1}{2}(1 - y^2)

Het gemiddelde van de snelheid wordt vervolgens berekend als:

U=0112(1y2)dy=13\langle U \rangle = \int_0^1 \frac{1}{2}(1 - y^2) \, dy = \frac{1}{3}

Op basis van dit resultaat kunnen we de wrijvingsfactor (f) voor de Reynoldsgetal (Re) als volgt berekenen:

fRe=824=13f_{Re} = \frac{8}{24} = \frac{1}{3}

Deze direct benaderde oplossing levert een eenvoudig inzicht in het snelheidsprofiel en de bijbehorende wrijvingsfactor voor het geval van een recht kanaal met platte platen.

Een alternatieve benadering maakt gebruik van de Fourier-transformatie, waarbij de eigenschapsvergelijking voor parallelle platen wordt uitgedrukt als:

Lψ=d2ψdy2=λψ,ψ(y=±1)=0L\psi = \frac{d^2\psi}{dy^2} = -\lambda \psi, \quad \psi(y = \pm1) = 0

De oplossing van deze vergelijking levert een reeks van eigenwaarden en genormaliseerde eigenfuncties, wat het mogelijk maakt om het snelheidsprofiel in termen van deze eigenfuncties uit te drukken. Het gemiddelde van deze eigenfuncties is gerelateerd aan de Fourier-coëfficiënten, die de wrijvingsfactor uiteindelijk ook kunnen opleveren:

U=13\langle U \rangle = \frac{1}{3}

Dit resultaat komt overeen met de directe oplossing, wat de consistentie van beide benaderingen bevestigt.

Naast deze twee benaderingen is er ook het geval van elliptische kanalen, dat we in meer detail kunnen analyseren. Stel dat we een kanaal hebben met een elliptische doorsnede, waarvan de transversale domein wordt gegeven door de vergelijking:

y2a2+z2b21,aya,bzb\frac{y^2}{a^2} + \frac{z^2}{b^2} \leq 1, \quad -a \leq y \leq a, \quad -b \leq z \leq b

waarbij aa en bb de halve aslengtes zijn van de ellips, en σ=ab\sigma = ab de aspectverhouding is (met σ=1\sigma = 1 voor een cirkel). De stromingssnelheid in dit geval kan worden uitgedrukt als:

ux=β(1y2a2z2b2)u_x = \beta \left( 1 - \frac{y^2}{a^2} - \frac{z^2}{b^2} \right)

Na het oplossen van de momentumvergelijking voor dit geval, kunnen we het gemiddelde van de snelheid berekenen en de bijbehorende wrijvingsfactor vinden:

fRe=824=1f_{Re} = \frac{8}{24} = 1

Dit resultaat is vergelijkbaar met de wrijvingsfactor voor een rechthoekig kanaal, maar het is specifiek voor het geval van een elliptisch kanaal. De wrijvingsfactor kan voor dit geval worden uitgedrukt als een functie van de aspectverhouding σ\sigma, en is symmetrisch rond σ=1\sigma = 1, wat betekent dat voor σ\sigma \to \infty de waarde van de wrijvingsfactor naar een limietwaarde neigt. Dit wordt bevestigd door de gedrag van de functie E(σ)E(\sigma), die de integraal van de omtrek van de elliptische sectie beschrijft.

De formule voor de wrijvingsfactor in een elliptisch kanaal kan verder worden vereenvoudigd als:

fRe=32π2(1+1σ2)0π/21(1σ2)sin2θdθf_{Re} = \frac{32}{\pi^2} \left( 1 + \frac{1}{\sigma^2} \right) \int_0^{\pi/2} \sqrt{1 - (1 - \sigma^2) \sin^2 \theta} \, d\theta