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: 155
Скачиваний: 0
ности кругового |
конуса |
(в |
частном |
случае — |
плоскую |
поверх |
||||||||||||
ность, ортогональную линейному источнику) . |
В т а к о м |
случае |
||||||||||||||||
задача , схема которой показана |
на |
рис. 2.24, в, становится осе- |
||||||||||||||||
симметрпчной, а т а к как единственной размерной |
характеристи |
|||||||||||||||||
кой такого течения |
является |
|
расход на единицу |
длины |
источника |
|||||||||||||
и размерность ее совпадает с |
размерностью |
кинематической |
||||||||||||||||
вязкости, то течение принадлежит к исследуемому классу |
точных |
|||||||||||||||||
решений |
и |
описывается |
системой |
уравнений |
(2.70) — (2.74) [36]. |
|||||||||||||
Остановимся |
вначал е |
на |
|
гидродинамических |
аспектах |
з а д а ч и |
||||||||||||
(L = W = 0); |
кроме |
того, положим |
в (2.70) — (2.74) |
/ = 0. Тогда |
бу |
|||||||||||||
дем |
иметь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1 + Л 2 ) И ' ' + Л ^ + ^,2= 2 6 м у і + л 2 - 2 а ( 1 + т і 2 ) + с ; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.123) |
|
g = 2 i | / - 2 f t |
Ц |
|
+ 2а. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Граничными |
условиями |
д л я |
(2.123) |
будут |
служить |
условия |
|||||||||||
прилипания |
на поверхности |
конуса r| = a = tg0o |
|
|
|
|
|
|||||||||||
4>(a)=i|>'(a)=0 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.124) |
||||
з а д а н и е |
мощности источника |
(расхода Q на |
единицу |
длины) |
— |
|||||||||||||
|
2л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lim |
/ /-l/,.de = Q = 2nvxp/ (oo) = 2jtvRe, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ ' ( o o ) = R e , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.125) |
|||
и условие |
равенства |
нулю |
|
осевой |
скорости |
Vz |
на оси |
симмет |
||||||||||
рии — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l i m |
l / 2 = l i m — ( т і ф ' - ф ) |
= l i m |
—т^тДО' - ЧО |
= 0 . |
|
|
|
|
(2.126) |
|||||||||
|
Условий |
(2.124) — (2.126) |
вполне |
достаточно |
д л я определе |
|||||||||||||
ния постоянных а, Ь, с |
и постоянной |
интегрирования |
уравнения |
|||||||||||||||
(2.123). Действительно, |
перейдем |
к |
функции |
/ = г р — Re т | и пере |
||||||||||||||
менной |
/ = — . Тогда |
уравнение |
(2.123) |
и |
условия |
(2.125) |
и |
|||||||||||
(2.126) |
запишутся |
к а к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
-1* |
(1 + Р) f |
г + (1 + Re) tf+f2 |
|
= 2ЬУТ + І Ч - (с - |
2а- |
Re) |
|
t2- |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Re2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 2 a - 2 R e - - ^ y - ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.127) |
||||||
f ( 0 ) = 0 , |
|
t-*0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2-128) |
|||
|
l i m 4=0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если, теперь строить решение уравнения |
(2.127) |
в |
окрест |
|||||||||
ности точки |
/ = 0 в виде |
ряда |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
то с условиями |
(2.128) |
можно |
получить Лі = 0, Л 2 |
= 0, |
|
|
||||||
|
|
Re2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 6 - 2 a = 2 R e + - ^ — ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6 + c - 2 a - R e . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< 2 Л 2 9 > |
||
Соотношения |
(2.129) |
д а ю т дв е |
связи |
м е ж д у постоянными а, b |
||||||||
и с. П о с л е д н я я |
связь |
получается |
от применения |
(2.124) к |
у р а в н е |
|||||||
нию (2.123): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 й а У 1 + а 2 - 2 а ( 1 + а 2 |
) + с = 0. |
|
|
|
|
|
|
(2.130). |
||||
Коэффициенты уравнения |
(2.123) |
в ы р а ж а ю т с я |
в |
таком |
слу |
|||||||
чае через п а р а м е т р ы |
Re и а следующим образом: |
|
|
|
|
|||||||
/ |
|
Re2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R e + ( 2 R e + — ) a 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2 6 = - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— + а 2 - а У 1 + а 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.131) |
|
|
|
Re2 |
|
c = 6 - R e |
Re2 |
|
|
|
|
|
||
2a = 2 6 - 2 R e - - ^ - , |
|
|
— . |
|
|
|
|
|
||||
Остановимся |
теперь |
на некоторых |
особенностях |
сформулиро |
||||||||
ванной задачи . |
Согласно теореме К о ш и д л я обыкновенного |
диф |
ференциального уравнения первого п о р я д к а [34], голоморфность-
правой |
части |
уравнения |
(2.123) |
обеспечивает возможность по |
||||||||||||
строения единственного решения в окрестности точки |
т) = а. Д л я |
|||||||||||||||
наших |
ж е |
целей необходимо, |
чтобы решение вело себя вблизи |
|||||||||||||
особой |
точки |
11 = оо в соответствии |
с |
(2.125) |
и |
(2.126). Условия |
||||||||||
ж е (2.128) |
и, |
соответственно, |
(2.129) |
являются |
л и ш ь необходи |
|||||||||||
мыми |
д л я |
такого |
поведения, |
но |
не достаточными. |
Действи |
||||||||||
тельно, пусть |
выполняются |
соотношения |
(2.129). Тогда, пред |
|||||||||||||
ставив |
решение в окрестности |
точки |
т] = оо, |
к а к |
и |
выше, |
в в и д е |
|||||||||
ряда |
тЬ = Ат)+Л,-г- |
— + |
^ | + |
. . . |
, |
получим |
из |
|
(2.123) |
Л , = 0 |
||||||
|
|
|
|
Re—k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(если |
кф — 1), Л 2 |
= — £ — , |
а |
д л я |
определения |
k— к в а д р а т н о е |
||||||||||
|
|
|
k2 |
|
|
Re2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уравнение: 2k+ |
= 2 R e + |
|
. |
Отсюда |
следует, |
что |
помимо |
асимптотики |
г(/(оо) = A t = Re |
может |
существовать |
асимптотика |
||
• ф Ч 0 0 ) |
=ko= |
— Re — 4. Более |
того, среди множества |
пар |
значений |
|
а и Re существует бесконечное множество таких |
пар, д л я ко |
|||||
торых |
решение в промежутке а ^ г ) < о о претерпевает |
разрыв . |
||||
П о к а ж е м это на нескольких частных |
примерах . |
|
|
Вуравнение (2.123) подставим значение постоянной с со-
гласно |
в ы р а ж е н и ю |
(2.130) |
и |
произведем |
замену |
\|) = Лг) + |
|||
+ 5ііУ1 + rf-t-f. Постоянные |
Л |
и |
В |
выберем |
таким |
образом, |
|||
чтобы |
уравнение |
(2.123) перешло |
в |
однородное уравнение, д л я |
|||||
чего эти постоянные д о л ж н ы |
подчиняться следующим |
условиям: |
|||||||
5 ( 2 + Л ) = 2 & , 4 Л + Л 2 + 5 2 = - 4 а , |
|
|
|
' |
|||||
А + — = - 2 6 а У 1 Ч - а 2 + 2 а а 2 , |
|
|
|
|
|
|
|||
а дл я определения |
f |
будет служить |
уравнение |
|
|
||||
( 1 + Л 2 ) / ' + [ ( 1 + Л ) Л - г - ЯУ1 + т 1 2 ] / + |
J- |
= 0 . |
|
(2.133) |
В таком случае решение (2.123) может быть представлено в ана литической форме:
яр = Лг| + £ У 1 - | - л 2 + ( 1 + Л2 ) |
~ |
(л + |
У 1 + л 2 ) - в х |
|
|
г і |
г |
-— |
|
|
|
х [ — J ( 1 + л 2 ) - |
2 |
( л + У 1 + л 2 ) - в ^ л - |
|
||
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
1+А |
1 - І |
- ( Л а |
+ ВУ1 + а 2 ) - ' ( 1 + а 2 ) |
~ {а + Ц\ + а 2 |
) - в J . |
Н а л и ч и е аналитического решения позволяет проследить ос новные тенденции в поведении решения при изменении а и Re, несмотря на жесткие ограничения, н а к л а д ы в а е м ы е условиями
совместности (2.132) |
на выбор значений |
а и Re. |
|
В = |
||
Пусть а = 0. Тогда |
из (2.132) |
можно |
получить |
Л = —4, |
||
= =F2y2, R e = ± 2 y 2 , при этом положительные |
значения чисел Re |
|||||
•соответствуют з а д а ч е |
о линейном |
источнике, |
отрицательные |
— |
||
о линейном стоке. В этом случае из решения |
|
|
|
|||
•ф = - 4 Л + 2 У 2 Л У |
16 (1 + л 2 ) 3 / ' (Л + У Т + Л 2 " ) ± 2 ' 5 [ |
( т 1 |
+ |
|||
+ у Т + л 2 ) 2 ± 2 ^ 2 ± У 2 ( л + у ї + л 2 ) ± 2 v 5 + |
|
|
|
|||
+ — ( л + у Т + ? ) ± 2 Я - 2 + У 2 Г ' |
|
|
||||
+ У 2 — 1 |
|
|
J |
|
|
|
следует, что д л я знака « + » асимптотическое |
поведение |
функции |
||
определяется |
выражением гр = 2у2т| + 0 |
|-^j2j |
, а д л я знака « —» — |
|
выражением |
ij)= (2"|/2 —4)т) + 0 |—j . |
Таким |
образом, |
при а = 0 |
решение' реализует две различные асимптотики в зависимости: от знака параметра Рейнольдса, по абсолютному значению рав
ного 2У2. |
|
|
|
|
|
|
|
П о л о ж и м |
теперь |
5 = 0. |
Условия совместности дают |
в т а к о м |
|||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
случае Л = К е |
и а 2 = — - — = - , отсюда |
R e < — 4 . Выберем |
дл я оп - |
||||
|
|
4 + Re |
|
|
|
|
|
ределенности Re= — 7 , тогда |
|
|
|
|
|||
|
[ |
(\+а2)3 |
i |
f |
2 , |
ті5 |
|
|
7 а |
2 |
I 1 |
3 |
5 |
|
-(«+4>+1)}13 5 і м - 1
Выражение, стоящее в квадратных скобках, отрицательно при: Т / 2
т| = а = — Wg- и положительно при т]->-+оо. Таким образом, в про
межутке — ~ | / ' | < т 1 < 0 0 о н |
о п о |
меньшей |
мере один |
ра з |
о б р а щ а |
||||||
ется в нуль и, следовательно, функция |
ijj претерпевает |
р а з р ы в - |
|||||||||
Этой ситуации соответствует значение ту« —0,397. |
|
|
|
|
|||||||
Анализ |
условий существования |
того |
или иного типа |
решения |
|||||||
оказывается |
достаточно |
сложным . |
С |
уверенностью |
можно ут |
||||||
в е р ж д а т ь |
лишь, что в квадранте а ^ О , Re^O на плоскости а—Re |
||||||||||
решение во всех точках ограничено и ведет себя |
в соответствии с |
||||||||||
условиями |
(2.124)—-(2.126). В |
остальной части |
плоскости |
могут |
|||||||
существовать |
все три типа |
решения. М о ж н о у к а з а т ь |
и |
некоторые |
|||||||
точки кривой, |
р а з д е л я ю щ е й область ограниченного |
решения о т |
|||||||||
области, где решение претерпевает |
разрыв: д л я Re = 10 а |
л е ж и т |
|||||||||
в промежутке |
— 0 , 7 3 < а < —0,71, д л я а = —1 значение |
п а р а м е т р а |
|||||||||
Re находится |
в промежутке 6,8<Re<7,0. |
|
|
|
|
|
Характер течения, возникающего при наличии линейного ис точника, иллюстрируется рис. 2.25—2.29, полученными в резуль тате численного расчета задачи на Э В М . Наиболее примечатель
ным здесь |
является |
немонотонность профиля радиальной ско |
|||
рости во всех р е ж и м а х течения, причем дл я |
каждого числа |
Re |
|||
существует |
такое значение а (оно совпадает с тангенсом |
угла |
|||
отрыва а 0 Т р , |
см. н и ж е ) , что при а ^ а о т р в профиле имеется |
один |
|||
экстремум, |
при а < а 0 |
Т р — Два экстремума |
(см. рис. 2.25), |
а |
к |
асимптотическому |
значению профиль |
гр' всегда |
подходит |
сверху |
|
( R e > 0 ) . Физическое объяснение последнего |
явления |
состоит, |
|||
по-видимому, в следующем: при а^О |
линии тока |
в пограничном |
|||
•слое вследствие |
тормозящего влияния стенки |
оттесняются от |
Рис. 2.25. Распределение радиальной скорости на линии r=const при различных углах a (Re=10).
нее, но, с другой стороны, существует потенциальный клин (см. рис. 2.26,6) с прямолинейными линиями тока, примыкаю щий к .источнику и не позволяющий равномерно оттеснять ли нии тока от стенки в направлении z, та к что м е ж д у потенциаль ным клином и стенкой имеется область сгущения линий тока,
которая |
и соответствует |
превышению |
скорости на д значением |
|
в потенциальном ядре. С увеличением |
угла от а = 0 |
потенциаль |
||
ный клин |
становится у ж е |
(см. рис. 2.26, в ) , тем не |
менее вели |
чина максимума скорости растет вследствие более сильного
«механического» оттеснения стенкой линий тока. |
|
|
||||
П р и а < 0 |
с ростом абсолютных |
значений |
м величина |
макси |
||
м у м а вначале |
несколько |
падает, а затем вновь увеличивается |
||||
(см. рис. 2.25). П а д е н и е |
объясняется тем, что часть линий |
тока |
||||
из области г | > 0 заходит |
в область т]<0 . Последующее увели |
|||||
чение можно |
объяснить |
влиянием |
вторичного течения, |
сбиваю |
||
щ е г о потенциальный поток, которое тем |
интенсивнее, |
чем |
||||
больше | а | . |
|
|
|
|
|
|