Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634160)
Контекстум
.
Прикладная механика и техническая физика

Прикладная механика и техническая физика №3 2003 (352,00 руб.)

0   0
Страниц182
ID200339
АннотацияЖурнал публикует оригинальные статьи и заказные обзоры по механике жидкости, газа, плазмы, динамике многофазных сред, физике и механике взрывных процессов, электрическому разряду, ударным волнам, состоянию и движению вещества при сверхвысоких параметрах, теплофизике, механике деформируемого твердого тела, композитным материалам, методам диагностики газодинамических физико-химических процессов.
Прикладная механика и техническая физика : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2003 .— №3 .— 182 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/200339 (дата обращения: 16.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Определены границы областей гиперболичности и эллиптичности в пространстве решений. <...> В области гиперболичности получены уравнения характеристик и условия на них. <...> Найдены условия, когда существует непрерывное автомодельное решение в области гиперболичности, соответствующее столкновению струй. <...> Отметим, что полученная система аналогична уравнениям газовой динамики, описывающим одномерные неустановившиеся изэнтропические движения газа с плоскими волнами [11]. <...> Однако можно искать частично инвариантные решения системы (2.2) по отношению к указанной группе, полагая u = u(r, t). <...> Эта подмодель порождена четырехпараметрической группой, образованной двумя переносами вдоль осей x1 и x2 декартовой системы координат и двумя галилеевыми переносами вдоль тех же осей [6]. <...> Доказано, что из этого пучка можно выбрать две различные ИК, соответствующие состояниям перед и за фронтом волны, так чтобы выполнялись все условия на скачке: соотношения Ренкина — Гюгонио, сохранение касательной компоненты скорости, теорема Цемплена. <...> Линии тока на физической плоскости задаются уравнением y = ψσ(x). <...> Рассмотрим ключевое уравнение в виде (2.4) или (2.5). <...> Поскольку ключевое уравнение (2.4) не разрешено относительно производной, для однозначной разрешимости задачи с начальными данными необходимо задавать не только значение функции, но и одно из возможных значений производной в выбранной точке. <...> Для того чтобы изобразить звуковую линию на физической плоскости R2 (x, y), необходимо задать зависимость решения уравнения (2.4) от переменной x (X = X(x)). <...> Имеет место теорема Цемплена: абсолютная величина нормальной к фронту компоненты скорости ui больше скорости звука ci перед фронтом и меньше ее за фронтом волны: u21 > c21 , u22 < c22 . <...> Теорема Цемплена (неравенство (7.5)), позволяющая определить, какие ИК соответствуют состоянию газа перед скачком и за ним, доказана для произвольного значения γ. <...> Условие (8.2) теоремы Цемплена, определяющее состояние газа перед <...>
Прикладная_механика_и_техническая_физика_№3_2003.pdf
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2003. Т. 44, NУДК 532.522.2:538.4 МОДЕЛЬ НЕЛИНЕЙНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ДЛИННОВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА ИДЕАЛЬНО ПРОВОДЯЩЕЙ СТРУЕ С ТОКОМ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ. СТОЛКНОВЕНИЕ ЗАМАГНИЧЕННЫХ СТРУЙ В. В. Никулин Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090 Новосибирск В рамках магнитогидродинамического подхода выведена система уравнений, описывающая нелинейную эволюцию длинноволновых осесимметричных возмущений на жидкой проводящей струе с поверхностным электрическим током, расположенной вдоль оси проводящего твердого цилиндра в продольном магнитном поле. Считается, что жидкость невязкая, несжимаемая и, так же как стенки цилиндра, идеально проводящая. Показано, что если продольное поле однородное, а осевое течение бессдвиговое, то в зависимости от параметров задачи данная система может быть либо гиперболической, либо эллиптически-гиперболической. Определены границы областей гиперболичности и эллиптичности в пространстве решений. В области гиперболичности получены уравнения характеристик и условия на них. Рассмотрена задача о распаде разрыва скорости на струе. Найдены условия, когда существует непрерывное автомодельное решение в области гиперболичности, соответствующее столкновению струй. Ключевые слова: магнитная гидродинамика, струя, длинноволновое приближение. ◦ 3 3 Введение. Аналитические исследования эволюции возмущений на жидких проводниках со свободными границами до настоящего времени выполнялись в линейном приближении и в основном спектральными методами [1–3]. В последнее время для этих задач удалось применить прямой метод Ляпунова [4]. Однако аналитических исследований нелинейной стадии развития возмущений проведено недостаточно. При изучении нелинейных задач из-за их сложности часто используются различные приближенные модели, описывающие существенные особенности рассматриваемых процессов. Одним из таких упрощений является асимптотическое приближение длинных волн или мелкой воды, используемое при исследовании волн в жидкости [5, 6]. В рамках модели мелкой воды оказалось возможным исследовать важные закономерности нелинейных эффектов, характерных для рассматриваемых течений, разработать точную теорию, а также решить прикладные задачи. Кроме того, данная теория получила математическое обоснование при изучении течения однородной жидкости в тонком слое [7, 8]. В настоящей работе длинноволновое приближение распространяется на случай струйного МГД-течения со свободной границей. Предложена модель, в рамках которой описывается нелинейное поведение длинноволновых возмущений на жидкой проводящей струе с поверхностным электрическим током в продольном магнитном поле. Данная модель позволяет выполнять аналитические исследования и имеет определенный физический смысл, Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 99-01-00614).
Стр.1
4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2003. Т. 44, N◦ 3 что подтверждают результаты, полученные в случае, когда продольное магнитное поле однородное, а осевое течение бессдвиговое. 1. Постановка задачи. Изучается жидкая проводящая струя неограниченной длины в продольном магнитном поле, по поверхности которой течет постоянный электрический ток J. Струя расположена вдоль оси бесконечно проводящего цилиндра радиуса r0. Вводится цилиндрическая система координат (r∗, ϕ, z∗), ее ось z∗ совпадает с осью струи. Используются следующие обозначения: v1, v2, v3, H1, H2, H3, H∗ ты скорости жидкости, магнитного поля внутри и вне струи, соответствующие системе координат (r∗, ϕ, z∗), P — давление, ρ — плотность, t∗ — время. Полагается, что при 1 , H∗ 2 , H∗ 3 — компонендвижении жидкости в проводящей струе v2 ≡ 0, H2 ≡ 0. Кроме того, считается, что это движение является осесимметричным, а сама жидкость — невязкой, несжимаемой и идеально проводящей. Действие сил поверхностного натяжения на свободной границе струи не учитывается. В силу данных предположений уравнения одножидкостной идеальной магнитной гидродинамики [9] принимают вид ρ∂v1 ∂t∗ +v1 ρ∂v3 ∂t∗ +v1 ∂v1 ∂r∗ +v3 ∂v3 ∂r∗ +v3 ∂(Ar∗) ∂t∗ +v1 H1 = − 1 понента векторного потенциала (магнитная проницаемость проводящей струи полагается равной единице). Вне струи при пренебрежении током смещения уравнения магнитного поля имеют вид Здесь P∗ ≡ P + (H2 ∂H∗ ∂z∗ − 1 1 + H2 3 )/(8π) — модифицированное давление; A — азимутальная ком∂H∗ 3 ∂r∗ = 0, H∗ 2 = 2J r∗ , ∂H∗ ∂z∗ + 1 ∂(H∗ 3 r∗ P∗ = (H∗ 1 )2 +(H∗ H1 −H3 2 )2 +(H∗ 8π v1 = 0, H1 = 0 (r∗ = 0), 3 )2 , v1 = ∂r1 ∂t∗ +v3 ∂r1 ∂z∗ = 0, H∗ H∗ 1 −H∗ 3 ∂r1 ∂z∗ 1 = 0 (r∗ = r0). При переходе к длинноволновому приближению введем безразмерные переменные и величины t, η, z, q, w, p∗, h, H, a, h∗, æ, H∗: r∗2 = ηL2δ2, z∗ = zL, t∗ = tL/v0, 2v1r∗ = qv0Lδ2, v3 = wv0, P∗ = p∗ρv2 2H1r∗ = hLδ2H0, H3 = HH0, 2Ar∗ = aδ2L2H0, 0, ∂r∗ = 0. 1r∗) (1.2) На оси проводящей струи, ее границе (r∗ = r1(z∗, t∗)) и стенках цилиндра ставятся следующие краевые условия: (r∗ = r1(z∗, t∗)), ∂r1 ∂z∗ = 0 (r∗ = r1(z∗, t∗)), (1.3) ∂v1 ∂z∗ ∂v3 ∂z∗  = −  = − ∂P∗ ∂r∗ + H1 4π ∂P∗ ∂z∗ + H1 4π ∂(Ar∗) ∂r∗ +v3 ∂A ∂z∗ , H3 = 1 r∗ ∂(v1r∗) ∂r∗ + ∂v3 ∂H1 ∂r∗ + H3 4π ∂H3 ∂r∗ + H3 4π ∂(Ar∗) ∂z∗ = 0, r∗ ∂(Ar∗) ∂r∗ , ∂z∗ = 0. ∂H1 ∂z∗ , ∂H3 ∂r∗ , (1.1)
Стр.2
В. В. Никулин 2H∗ 1r∗ = h∗Lδ2H0, H∗ 2r∗ = æLδH0, H∗ 3 = H∗H0. Здесь L — характерный масштаб вдоль оси z∗; H0 — характерная величина магнитного поля, равная H∗ H0/(4πρ)1/2 — характерная скорость; δ = r10/L. Считается, что δ  1. В безразмерных переменных уравнения (1.1), (1.2) запишутся в виде δ2(qt +qqη −q2/(2η)+wqz) = −4ηp∗η +δ2(hhη −h2/(2η)+Hhz), wt +qwη +wwz = −p∗z +hHη +HHz, qη +wz = 0, at +qaη +waz = 0, h = −az, H = aη; η = 0. δ2h∗ z −4ηH∗ η = 0, ж = 1, H∗ z +h∗ q = 0, h = 0 (η = 0), q = η1t +wη1z (η = η1), p∗ = δ2(h∗)2/(8η1)+1/(2η1)+(H∗)2/2 (η = η1), h−Hη1z = 0 (η = η1); h∗ −H∗η1z = 0 (η = η1), h∗ = 0 (η = η0), 2 при r∗ = r10 (H0 = 2J/r10); r10 — характерный радиус струи; v0 = 5 (1.4) (1.5) Здесь и далее нижний индекс обозначает соответствующую частную производную. Краевые условия (1.3) принимают вид (1.6) (1.7) где η1(t, z) и η0 соответствуют r1(t, z) и r0. При переходе в (1.4)–(1.7) к длинноволновому приближению слагаемые, пропорциональные δ2, опускаются. В этом случае система (1.5) с условиями (1.7) имеет решение h∗ = H∗ магнитного поля между струей и стенками цилиндра. Тогда условие для p∗ из (1.6) (с учетом δ2 →0) принимает вид p∗ = 1/(2η1)+Φ2/[2(η0 −η1)2]. Для системы (1.4) длинноволновое представление не является окончательным, поскольку она может быть еще упрощена путем перехода (см. [4, 10]) к смешанным эйлероволагранжевым переменным t, z, ν, определяемым соотношениями t = t, z = z, η = R(t, z, ν), ν ∈ [0, 1]. При этом полагается, что функция R удовлетворяет уравнению и краевым условиям q = Rt +wRz, R(t, z, 0) = 0, R(t, z, 1) = η1(t, z). (1.9) Таким образом, переменную ν можно интерпретировать как номер соответствующей жидкой линии. Кроме того, из (1.9) следует, что краевые условия (1.6) (для функции q) выполняются автоматически. Отметим, что при такой замене переменных неизвестная свободная граница η = η1 переходит в известную фиксированную границу ν = 1. В новых смешанных эйлерово-лагранжевых переменных (при пренебрежении слагаемыми с δ2) уравнения (1.4) запишутся в виде p∗ν = 0, Rν(wt +wwz) = −Rνp∗z +hHν +RνHHz −HRzHν, qν +Rνwz −Rzwν = 0, at +waz = 0, (1.10) z (η0 −η), H∗ = H∗(t, z) = Φ/(η0 −η1), где Φ = const — безразмерный осевой поток (1.8)
Стр.3