Файл: Щербинин Э.В. Струйные течения вязкой жидкости в магнитном поле.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 142
Скачиваний: 0
< l + T i 2 ) 4 f / / o + ' n 1 F o - 4 ' o = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.86) |
||||||||
< 1 + г)2 ) ЧГ'І + nW't - Wi = Т о ф ' - W'oty; |
|
|
|
|
|
|
|
(2.87) |
|||||||||||
( 1 + Л 2 |
) ^ / |
/ о + З л ^ , о = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.88) |
|||||
( l + T ] 2 |
) L " i + 3r|L / 1 |
= 2W0l |
- |
2o|/L0 + Ч У ' - |
*L'o |
|
|
|
|
(2.89) |
|||||||||
К а к |
следует |
из уравнений |
(2.86) и |
(2.88), поля Wo и L 0 в |
разло |
||||||||||||||
ж е н и и |
(2.83) не связаны |
с движением |
жидкости |
и могут |
интер |
||||||||||||||
претироваться |
ка к з а д а н н ы е |
внешние |
магнитные |
поля. Соответ |
|||||||||||||||
ственно |
Wi |
и |
Li |
( t = l , |
2 , . . . ) представляют собой возмущения |
||||||||||||||
магнитного |
поля, |
вызванные |
движением |
жидкости |
(уравнения |
||||||||||||||
(2.87), (2.89)). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Р е ш е н и я м и |
(2.86) и |
(2.88) |
я в л я ю т с я в ы р а ж е н и я |
|
|
|
|||||||||||||
гр-0 =Лг| + £ У і + Г | 2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.90) |
|||||||
LQ=A |
|
, 4 |
+В, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.91) |
|||
|
|
У і + г , 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
А |
и В — постоянные |
интегрирования. Нетрудно |
убедиться, |
|||||||||||||||
что решение |
(2.90) при произвольных |
А и В удовлетворяет |
|
у р а в |
|||||||||||||||
нениям div Н 0 = 0, |
r o t H 0 |
= 0 и, таким |
образом, |
в исходном |
|
урав |
|||||||||||||
нении |
д в и ж е н и я |
(1.13) |
электромагнитная |
сила |
r o t H 0 X H 0 = 0. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<J4Jf 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Этой силе в |
(2.84) соответствует член — - — , не равный |
нулю. Ис |
|||||||||||||||||
пользуя |
решение |
(2.90), |
м о ж н о |
показать, |
однако, |
что |
член |
||||||||||||
C W |
2 |
|
Г |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
А2 |
1 |
легко |
|
ком |
|
- ~ |
= |
S |
[ЛВтіУі |
+ т ) 2 + - ( Л 2 |
+ 5 2 ) ( 1 + Г ) 2 ) |
- |
— J |
|
|||||||||||
п е н с и р у е т с я |
с о о т в е т с т в у ю щ и м подборо м |
п р о и з в о л ь н ы х п о с т о я н |
|||||||||||||||||
н ы х |
а, Ъ и |
с . |
Влияние |
магнитного |
поля |
W0 |
н а |
п о л е с к о р о с т е й |
|||||||||||
в т а к о м |
с л у ч а е |
б у д е т |
с к а з ы в а т ь с я |
через |
п р о и з в е д е н и е |
^ V F i . |
|||||||||||||
Аналогично |
о б с т о и т дело |
и с полем LQ, |
если |
в (2.91) |
п о л о ж и т ь |
||||||||||||||
Л = 0. |
Если |
ж е |
А =7^=0, |
т о п о л е |
L 0 |
создается |
с и с т е м о й |
|
э л е к - |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
I |
|
|
|
ТрИЧеСКИХ |
ТОКОВ |
С СОСТаВЛЯЮЩИМИ |
7Г = |
|
5- -тт— |
nTjT |
Ї |
]z = |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г2 |
(I +ц2) '• |
|
|
Аті
= |
тг ~п—Чгзт |
. т е к у щ и х п о ж и д к о с т и |
и с х о д я щ и х с я к н а ч а л у |
||||||
|
Г 2 ( 1 + Т ) 2 ) ' 2 |
|
|
|
|
||||
к о о р д и н а т |
|
(рис. 2.9, д). В этом с л у ч а е |
э л е к т р о м а г н и т н а я с и л а |
||||||
j X H 0 = r o t |
Н 0 Х Н 0 у ж е не б у д е т |
р а в н а нулю; ч л е н ы , п р о п о р ц и о |
|||||||
нальные |
S |
в |
(2.84), |
н е м о г у т |
б ы т ь |
с к о м п е н с и р о в а н ы в ы б о р о м |
|||
п о с т о я н н ы х |
a, |
b |
и с и , т а к и м образом , |
они б у д у т в ы п о л н я т ь р о л ь |
|||||
в ы н у ж д а ю щ е й |
|
силы. |
Влияние |
п о л я |
и н д у ц и р о в а н н ы х токов п о - |
||||
п р е ж н е м у |
б у д е т |
у ч и т ы в а т ь с я членами , п р о п о р ц и о н а л ь н ы м и Н а 2 . |
В а р ь и р уя в (2.90) и (2.91) значения А и В, м о ж н о получить различные варианты приложенного магнитного поля. Так, пола
гая |
в (2.90) |
|
£ = 0, |
получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
„ |
ЛР'о |
|
IA |
„ |
IWQ |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Я Г = |
— ^ |
= |
— |
, Я Г |
= — ^ - |
— (T]X F О — ТО) = 0 , |
|
т. |
|
е. |
чисто |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/Яті |
|
|
Я 2 |
= |
|||
радиальное |
поле |
(см. рис. 2.9, а ) . Пр и / 4 = 0 |
Я г |
= ryi+rv 2 ' |
|||||||||||||||||
|
IB |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЛУ1+Г|2 ' из чего |
следует, что силовые линии |
|
располагаютс я |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
6) |
|
на |
поверхностях |
/"2 + z 2 = const. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
Этот |
случай |
соответствует |
по |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
л ю |
магнита, |
одним |
из |
полю |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
сов которого является ось сим |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
метрии, а вторым — некото |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
рая |
|
коническая |
|
поверхность |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
т] = const |
(см. рис. 2.9,6). |
Слу |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
чай |
|
А ——В |
|
соответствует |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
полю, |
|
создаваемому |
|
|
полю |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
сами магнита, одним из кото |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
рых является коническая по |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
верхность |
ц = const, |
а |
второй |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
удален |
в |
бесконечность |
(см. |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
рис. 2 . 9,б) . Если в |
(2.91) |
по |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
л о ж и т ь |
А —0, то |
азимутальное |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
поле |
L 0 |
= B |
м о ж н о |
|
т р а к т о в а т ь |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
либо |
ка к |
поле |
проводника |
с |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
током, |
расположенного |
на оси |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
симметрии |
г = 0, либо |
к а к |
поле |
||||||||||||
Рис. |
2.9. Виды |
внешнего |
магнитного |
р а з р я д а |
по |
|
оси |
|
симметрии |
||||||||||||
(см. рис. 2 . 9,г) . В случае |
А — |
||||||||||||||||||||
поля, |
которые |
могут |
рассматриваться |
||||||||||||||||||
= —В |
азимутальное |
|
поле со |
||||||||||||||||||
в рамках исследуемого класса точных |
|
||||||||||||||||||||
решений. |
|
|
|
|
здается, |
ка к показывает |
реше |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ние |
r = constz |
уравнения |
д л я |
линий электрического тока, током, сходящимся по коническим поверхностям r) = const к началу координат (см. рис. 2.9, д).
2.3.3. МГД-аналог струи Ландау [26, 27]. Рассмотри м з а д а ч у о струе, вытекающей из конца тонкой трубки в пространство, заполненное той ж е жидкостью . П о л о ж и м при этом, что з а к р у т к а
струи отсутствует ( / = 0 ) , а |
магнитное поле |
не имеет |
азимуталь |
||||
ной |
составляющей |
( L = 0 ) . |
В безындукционном приближении |
||||
система |
уравнений |
(2.75) — (2.78) при этих |
|
условиях |
примет вид |
||
*/ |
1 к |
І ы і тл |
2 р в |
2 a - 2 6 c o s 6 |
с; |
(2.92) |
|
/ ' - T / 2 - c t g , 9 / + H a 2 W = |
|
(F'l |
+ ctgQFJ^F'af-For; |
|
|
|
|
|
|
|
(2.93) |
||||
|
A cos |
0 + 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
^ о = |
г |
|
~ |
, |
|
Ф о = 1 - |
|
|
|
|
(2.94) |
||
|
sin |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следуя |
|
Л а н д а у |
|
[11], |
положим |
все |
составляющие |
тензора |
|||||
плотности |
переноса |
|
импульса, |
за |
исключением |
П Д н , |
равными |
||||||
нулю. Тогда |
из |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
v 2 p / „ |
1 „ |
, п , , 1 е _ , |
\ |
2 v 2 p / 6 c o s 6 - a |
\ |
|||||||
П Ф |
Ф = ^ - ( |
|
/ ' - |
y / 2 |
- c t g |
0 / + - I <>Я + С ) |
= |
|
|
|
|||
|
|
|
2v2 p |
a— b cos,0 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
=~p72 |
|
sin2 .0 |
' |
|
|
|
|
|
||
Ш е = ^ - [ ( |
f'-±F-ctgQf+±SF2)' |
|
+ |
|
|
|
|||||||
|
|
|
+ 2 c t g 0 ( / ' - ^ / 2 - c t g 0 / + i - S F 2 ) ] = |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_ |
2v2 p |
|
b — c cos 0 |
|
|
|
|
(2.95) |
||
|
|
|
|
/?* |
|
і ї п 0 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
П е ф |
= Пдф = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
следует, что а = й = с = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Решение (2.92), (2.93) будем искать |
в виде |
р а з л о ж е н и я |
ис |
||||||||||
комых функций в р я д по параметру |
Н а 2 : |
|
|
|
|
||||||||
/ = f o + H a 2 / , + |
Fl=Fl0 |
+ m*Fu+ |
. . . . |
|
|
|
|||||||
Тогда д л я последовательных приближений будем иметь |
сис |
||||||||||||
тему уравнений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
/ ' o - - | f o 2 - |
|
c t g 0 / o = O; |
|
|
|
|
|
(2.96) |
|||||
/ ' i - ( / o + ctgQ)h |
=-F0Fl0; |
|
|
|
|
|
(2.97) |
||||||
(F'^+ctgQF^'-F'ofo-Fof'o; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( F ' n + c t g . O f . O ^ f V . - F o h ,
Т а б л и ц а |
2.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4=1,1 |
|
|
|
|
8, ° |
ґо |
/о |
| фо |
/МО |
f, |
Фі |
/о |
Фо |
|
|
|||||||
0 |
0 |
0 |
40 |
0 |
0 |
0 |
О |
О |
10 |
0,087 |
-3,03 |
29,80 |
0,35 |
-0,002 |
0,051 |
-0,67 |
7,13 |
20 |
0,175 |
-4,28 |
14,40 |
0,76 |
-0,020 |
0,159 |
-1,22 |
5,96 |
30 |
0,268 |
-4,27 |
5,68 |
1.11 |
-0,042 |
0,267 |
-1,57 |
4.17 |
40 |
0,364 |
-3,85 |
1,78 |
1,40 |
-0,081 |
0,391 |
-1,75 |
2,62 |
50 |
0,467 |
-3,35 |
0 |
1,64 |
-0,143 |
0,557 |
-1,79 |
1,41 |
60 |
0,577 |
-2,89 |
-0,83 |
1,85 |
-0,228 |
0,664 |
-1,73 |
0,50 |
70 |
0,700 |
-2,48 |
-0,12 |
2,00 |
-0,335 |
0,814 |
-1,62 |
-0,13 |
80 |
0,340 |
-2,13 |
-1,51 |
2,14 |
-0,478 |
0,959 |
-1,48 |
-0,58 |
90 |
1,00 |
-1,82 |
-1,65 |
2,39 |
-0,665 |
1,18 |
-1,33 |
-0,89 |
100 |
1,19 |
-1,54 |
-1,74 |
2 24 |
-0,877 |
1,08 |
•1,18 |
-1,11 |
ПО |
1,43 |
-1,30 |
-1,80 |
2^24 |
-1,08 |
1,01 |
-1,02 |
-1,26 |
120 |
1,73 |
-1,08 |
-1,84 |
2,20 |
-1,33 |
0,84 |
-0,86 |
-1,37 |
130 |
2,15 |
-0,88 |
-1,86 |
2,10 |
-1,63 |
0,34 |
-0,71 |
-1,45 |
140 |
2,75 |
-0,69 |
-1,88 |
1,98 |
-1,93 |
0,48 |
-0,56 |
-1,51 |
150 |
3,74 |
-0,50 |
-1,89 |
1,80 |
-2,27 |
-2,26 |
-0,42 |
-1,55 |
160 |
5,67 |
-0,33 |
-1,90 |
1,45 |
-2,48 |
-6,21 |
-0,28 |
-1,58 |
170 |
11.4 |
-0,16 |
-1,90 |
0,93 |
-2,31 |
-16,0 |
-0,14 |
-1,59 |
из которых лишь первое является нелинейным. Его решением
служит решение, найденное |
Л а н д а у : |
|
|
|
|
|
|||
/о = |
2 sin 9 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.99) |
cos Q — k |
|
|
|
|
|
|
|||
Здесь k — постоянная интегрирования, |
параметр |
задачи . П о |
|||||||
требуем еще, чтобы F0 было |
регулярным |
при 6 = 0. Тогда в |
(2.94) |
||||||
необходимо |
положить Л = — В, |
а та к ка к магнитное |
поле |
опре |
|||||
деляется, согласно (2.9), с точностью д о произвольного |
постоян |
||||||||
ного множителя / , то можно |
считать А = 1. И м е я теперь |
решения |
|||||||
(2.94) и (2.99), легко получить из (2.98) |
|
|
|
|
|
||||
F,o = 2 (sin Є)-'[(l —^) In (k- |
cos %)~2{k+\)-l{k- |
cos©) In (k- |
|||||||
|
- |
c o s 9 ) - 2 ( f c +l)~ 1 ( l + cos 9) In ( 1 + cos0) |
+ |
|
|||||
|
+ |
Є1 cos 8 + e2 ] • |
|
|
|
|
|
|
|
Постоянные |
єі и Є2 найдем, |
подчинив |
функцию |
Fi0 |
|
условиям |
|||
10 |
= 0. Это дает |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9=0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k+l |
|
|
|
|
Єі,2 = |
k+l |
|
|
|
In (k+l) |
|
, |
|
й=1,5 |
|
|
|
|
k = 2 |
|
|
|
/, |
Фі |
и |
Фо |
|
f, |
Фі |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
0 |
0 |
0 |
0,20 |
-0,001 |
0,034 |
-0,34 |
3,92 |
0,127 |
-0,0009 |
0,021 |
0,36 |
-0,010 |
0,011 |
-0,64 |
3,35 |
0,234 |
-0,0078 |
0,079 |
0,54 |
-0,030 |
0,192 |
-0,88 |
2,70 |
0,352 |
-0,0216 |
0,150 |
0,79 |
-0,065 |
0,331 |
-1.04 |
1,94 |
0,445 |
-0,0465 |
0,224 |
0,87 |
-0,117 |
0,400 |
-1,13. |
1,26 |
0,566 |
-0,083 |
0,309 |
1,04 |
-0,176 |
0,497 |
-1,15 |
0,67 |
0,686 |
-0,131 |
0,396 |
1,17 |
-0,255 |
0,590 |
-1,13 |
0,18 |
0,794 |
-0,195 |
0,476 |
1,30 |
-0,355 |
0,691 |
-1,07 |
-0,20 |
0,895 |
-0,275 |
0,554 |
1,40 |
-0,487 |
0,748 |
-1,00 |
-0,50 |
0,982 |
-0,37 |
0,612 |
1,47 |
-0,635 |
0,790 ' |
-0,90 |
-0,73 |
1,050 |
-0,49 |
0,633 |
1,50 |
-0,802 |
0,722 |
-0,80 |
-0,91 |
1,120 |
-0,63 |
0,633 |
1,53 |
-1,00 |
0,620 |
-0,69 |
-1,04 |
1,120 |
-0,79 |
0,475 |
1,51 |
-1,24 |
0,274 |
-0,58 |
-1,14 |
1,120 |
-0,98 |
0,202 |
1,43 |
-1,50 |
-0,510 |
-0,46 |
-1,21 |
1,060 |
-1,16 |
-0,410 |
1,36 |
-1,72 |
-1,610 |
-0,34 |
— 1,27 |
1,020 |
-1,34 |
-1,310 |
1,26 |
-1,96 |
-4,2 |
-0,29 |
-1,30 |
0,819 |
-1,47 |
-3,790 |
0,75 |
-1,95 |
-13,70 |
-0,10 |
-1,32 |
0,540 |
1,43 |
-10,20 |
где знак « —» относится |
к єь знак « + » — к ег- |
|
|
||||||||
Соответственно, д л я Фю можно получить |
|
|
|||||||||
|
2(k-l) |
L .+ |
2 |
n (k- |
|
4 |
|
|
+ |
||
ф 1 0 = _ 1 |
|
_ T i |
cos.6) — - — - I n ( 1 + c o s 6 ) |
||||||||
|
|
C O S 0 |
|
k+l |
|
|
k+l |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
l n 2 - |
In |
|
(k-l)-2. |
|
|
|
|
|
|
+ k+l |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
k+l |
|
|
|
|
|
||
Решение |
уравнения (2.97), подчиняющееся условию /'і(О) = 0 , |
||||||||||
есть |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ l = - |
(k- |
sin 0 |
|
{k- |
cos 6) 2 |
F0Fl0dQ |
|
|
|
||
|
|
cos Є) 2 |
J |
sin 0 |
|
|
|
|
|
||
Численные значения |
функции |
fi д л я некоторых |
значений па |
||||||||
раметра k приведены в табл . 2.1. |
|
|
|
|
|||||||
Остается |
выяснить |
смысл |
параметра |
з а д а ч и |
k. Д л я этой |
||||||
цели, используя |
(2.95), вычислим |
в первом |
приближении |
полный |
|||||||
поток импульса |
в струе в проекции на ось симметрии: |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
л |
|
|
|
|
|
/= J J |
Пл л cos 6Й0 = 2 я J i ? 2 n M c o s 0 s i n 0 d 0 = |
|
|
5 — 2274