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: 132
Скачиваний: 0
слой приобретает характер свободного струйного слоя с незна чительными градиентами скорости по полю и с резкими гради ентами поперек поля. В отличие, однако, от классической струи
здесь слой не развивается по длине трубы | ^ = 0 п 0 у с л о в и ю | >
иными словами, здесь имеется необычная ситуация существова ния по всей длине трубы резко неоднородной скоростной струк туры в ядре потока, порожденной и поддерживаемой объемными электромагнитными силами. Естественно, возникает вопрос об устойчивости такой скоростной структуры [5], но об этом речь пойдет в главе V I I , где будут приведены экспериментальные данные о реальной структуре течения в наклонном поле.
§ 2. П Л О С К И Е И О С Е С И М М Е Т Р И Ч Н Ы Е Т Е Ч Е Н И Я
В настоящем п а р а г р а ф е рассматривается класс точных ре шений, характеризующийся заданием поля скоростей и магнит ного поля в виде функций, обратно пропорциональных рас стоянию от источника течения жидкости . Несмотря на такое жесткое ограничение, данный класс описывает сравнительно ши
рокий круг конкретных задач, часть которых |
рассматривалась в |
||||||||||
гидродинамике |
непроводящей |
жидкости как в точной постановке |
|||||||||
[10—17], т а к |
и |
в |
постановке |
теории |
пограничного |
слоя |
[18—20]. |
||||
Н и ж е будет |
показано, |
что внешнее |
магнитное |
поле |
(естественно, |
||||||
д л я |
тех случаев, |
когда |
имеет |
смысл говорить |
о магнитном |
поле |
|||||
к а к |
о з а д а н н о м |
|
извне) |
может з а д а в а т ь с я в |
различных |
вариан |
|||||
тах |
и, таким |
образом, |
круг з а д а ч существенно расширяется, т а к |
||||||||
к а к любое из конкретных течений по мере необходимости |
может |
||||||||||
изучаться в к а ж д о м из |
вариантов з а д а н и я магнитного поля. М ы |
||||||||||
остановимся здесь л и ш ь на некоторых наиболее, на наш |
взгляд, |
||||||||||
интересных |
з а д а ч а х . |
|
|
|
|
|
|
|
|||
2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССА ТОЧНЫХ РЕШЕНИЙ |
|
|
|
|
|||||||
Д л я течений, |
в которых |
давление не является |
характерной |
величиной, определяющими параметрами, как следует из урав
нений |
(1.13), |
(1.14), будут цо, v, р, v m = ' a ~ V o _ 1 и Т Р И координаты |
г, ф, z |
(для |
примера рассматривается цилиндрическая система |
координат) . Кроме того, поле скоростей и магнитное поле, вообще говоря, могут характеризоваться набором некоторых
р а з м е р н ых постоянных: соответственно |
А И А%, • •., А„ |
и |
ВиВ2,... |
|||
. . . , Bk. |
Число этих постоянных зависит |
от условий |
конкретной |
|||
задачи |
(граничных условий, геометрии границ, з а д а н н ы х |
ин |
||||
тегральных характеристик потока и т. д . ) . |
|
|
|
|
||
Размерности всех перечисленных |
величин |
д о л ж н ы выра |
||||
ж а т ь с я |
через четыре основные единицы |
L, Т, М |
и / . З а м е т и м , од |
|||
нако, что величины |Хо и р входят в уравнение |
(1.13) |
л и ш ь в |
ком |
|||
бинации |
— , не зависящей от массы М. Это |
обстоятельство |
д а е т |
|||
|
Р |
|
|
|
|
|
возможность сократить число параметров на единицу, а р а з м е р
ности всех остальных величин выразить л и ш ь через три |
основ |
|||
ные единицы L , Т и / при |
условии, что постоянные |
АП, |
Ви |
т а к ж е |
не зависят от М. Д а л е е в |
системе уравнений (1.13), (1.14) |
вели |
||
чину Н можно заменить |
комбинацией h = ~^J~^~H |
и, таки м |
обра |
|
|
|
ти |
г> |
|
зом, исключить из числа определяющих параметров — . В свою
очередь, вместо р а з м е р н ы х постоянных |
Ви, |
х а р а к т е р и з у ю щ и х |
|||||||||
поле |
Н, можно |
ввести |
постоянные |
С й = |
|
"Вк, |
характеризу |
||||
ющие поле h. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
П р е д п о л о ж и м , что формулы размерности |
д л я |
Л,-, |
имеют |
||||||||
вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[Ai] = |
L |
T |
; |
[Cj] = L |
S T \ |
|
|
|
|
|
|
Тогда |
число |
основных единиц |
измерения |
сократится |
до двух |
||||||
(L и |
Т) |
и, согласно я- теореме, |
совокупность |
подобных |
течений |
||||||
будет |
определяться |
5+n+k— |
2 |
независимыми |
п а р а м е т р а м и : |
Р = — — » |
т ) = — , |
ф, б ь . . . . , б„, S i , . . . , |
Sn, |
||
Vm |
Г |
|
|
|
|
где . |
|
|
|
|
|
8i=Air-aiZ-biv-ci, |
Sj = |
Cf-aiZ-biv-ci, |
|
||
cii + bi= Pi + 2qu |
Ci=-qu |
aj+bj=pj |
+ 2qj, |
c}=-qj. |
|
Число |
независимых |
переменных м о ж н о сократить, положив |
|||
ai = bi = ctj = bj = Q, т. е. |
pi+2qi=pj+2qj=0. |
Последнее означает, |
что размерности постоянных Аі и Cj представляют собой некото рые степени размерности коэффициента кинематической вяз
кости: |
[Ai] = vqi, |
[С}] — \Яі. |
Что касается |
размерности Bj, |
то из |
Sj = Cjv |
£ = I — ) |
Bjv 1 |
следует, что |
если положить |
2yj = |
= — Ці, то [Bj] = I-9j ^ так, при <7j=— 2 , 5 = i=~ j . Таким обра зом, характеристикой магнитного поля может служить некий
характерный |
ток /. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Согласно |
теории подобия |
и размерности |
[21], искомые |
функ |
||||
ции можно теперь представить в виде |
|
|
|
|
|||||
Vr=~[((p,7]) |
, |
К р = |
у / ( < р , ri) , Vz= |
у г в ( Ф , |
TJ) |
, |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.9) |
— |
= -т4Г(ф.іі) . |
Я г |
= — ^ ( ф , т і ) , Я ф = — 1 ( ф , п ) , |
|
|||||
р |
Г |
|
|
г |
|
г |
|
|
|
Я г = 1 ц 7 ( Ф , г ] ) , |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I H I 2 |
где |
введено |
т а к |
называемое |
полное |
давление |
p,n=p + |xo ! — L - . |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Система уравнений в частных |
производных (1.13), (1.14) |
перей |
дет в систему обыкновенных дифференциальных уравнений, если
при подстановке в нее в ы р а ж е н и й (2.9) остановиться |
на |
зависи |
||
мости всех функций в (2.9) лишь от одной переменной |
(ф либо л.). |
|||
В первом |
случае полученная |
система (штрихи означают |
диффе |
|
ренцирование ПО ф)' |
|
|
|
|
lf'-j2-l2 |
= 2g+f"+S{LF'-L2-F2) |
; |
|
(2.10) |
|
|
|
|
(2.11) |
F'=$(lF-fL) |
• |
|
|
(2.12) |
w"+w = lw'-fw-S(W'L-FW) |
; |
|
(2.13) |
|
W"+W=$(wF-fW+lW'-Lw') |
; |
|
(2.14) |
|
/ = const |
= a ; L = const —b |
|
|
(2.15) |
описывает плоские течения в том смысле, что г- и ф-составляю-
щие скорости и магнитного поля |
определяются |
независимо от |
^ - составляющих . Последние находятся из (2.13) |
и (2.14) после |
|
того, к а к будут найдены Д /, F и L . |
|
|
Во втором случае (функции в |
(2.9) не зависят |
от ф) система |
уравнений будет описывать осесимметричные течения, в общем случае имеющие все три составляющие скорости и магнитного
поля. П р е ж д е чем записать |
систему уравнений д л я |
осесиммет- |
ричных течений, заметим, |
что функции f и до, F и |
W связаны |
посредством уравнений неразрывности (1.5) соотношениями (штрихи означают дифференцирование по rj)
и>' = ч\Г |
и |
W' = |
i\F', |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
которые |
автоматически |
удовлетворяются, |
если |
положить |
|
|||||||||||||||
/ = |
и> = 1\у'—$, |
F=4T, |
W=i\4T-w. |
|
|
|
|
|
|
|
(2.16) |
|||||||||
Уравнения |
движения, |
записанные |
через -ф и |
будут |
иметь |
вид |
||||||||||||||
- |
г|/2 - |
грф" - I 2 = 2g + r\g' + Зттф" + |
(1 + г,2 ) ф ' " |
- |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
- 5 ( T / |
2 + W |
' |
+ L 2 |
) ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.17) |
||||
- |
ті W2 |
+ Щ") |
+ Щ' = |
- g' - ф + т\Ч>' + (1 + 4г,2 ) 4>" |
+ |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
+ |
T] (1 + ті2 ) |
|
|
- S[TJ ( T ' 2 + W " ) |
- |
W 1 |
; |
|
|
(2.18) |
|||||||
-tyl=(l+4)l" |
|
+ 3y]l'-SVL' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.19) |
|||||||
а уравнения индукции |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
(1 + т]2 ) |
|
+ З т і ^ " = р (Ч/гр" - |
Т ' Ч ) ; |
|
|
|
|
|
|
(2.20) |
||||||||||
т) (1 + г,2 ) Т " ' + |
(1 + 4т)2 ) |
+ тіТ 7 |
- |
Y = р[ті W |
- |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
-V'^+Wq' |
|
+ W'ty]; |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.21) |
||||||
(І + т}2) L"+ЗцЬ' |
|
= р ( 2 ^ 7 + W |
- 2i|/L - i|>L'). |
|
|
|
|
(2.22) |
||||||||||||
|
Исторически анализ осесимметричных течений в р а м к а х вы |
|||||||||||||||||||
шеописанного класса точных решений связывался |
со сферичес |
|||||||||||||||||||
кой системой |
координат |
[10—16]. М ы |
употребили |
здесь |
цилин |
|||||||||||||||
дрическую |
систему |
д л я |
того, |
чтобы |
показать, |
что ка к |
плоские |
|||||||||||||
течения |
(типа |
Г а м е л я ) , |
та к |
и |
осесимметричные течения |
(типа |
||||||||||||||
С л е з к и н а — Л а н д а у — Я ц е е в а — С к в а й р а ) п р и н а д л е ж а т |
к одному и |
|||||||||||||||||||
тому |
ж е |
классу |
точных |
решений. Однако, чтобы иметь |
возмож |
|||||||||||||||
ность воспользоваться |
у ж е имеющимися |
решениями |
конкретных |
|||||||||||||||||
з а д а ч |
общей |
и |
магнитной гидродинамики, |
а т а к ж е |
с |
целью об |
||||||||||||||
легчения |
включения |
новых |
з а д а ч в вышеописанный |
класс |
точ |
ных решений приведем запись определяющих уравнений через
сферические |
координаты . |
|
(R, |
|
|
|
В сферической системе |
координат |
0, ср) |
исследуемый |
|||
к л а с с точных решений характеризуется |
следующим |
видом поля |
||||
скоростей, магнитного поля и давления: |
|
|
|
|
||
У я = - ^ Ф ( в ) , |
У е = ^ / ( 6 ) , |
Vv=^l{Q), |
^ |
= |
~ ё |
( В ) , |
Я я = ^ Ф ( Є ) , Я 9 = ^ ( Є ) , |
Я Ф = - ^ І ( Є ) , |
|
|
|
причем функции ф(0) |
|
и / ( 9 ) , Ф ( 9 ) |
и F(Q) |
о к а з ы в а ю т с я |
связан |
|||||||||||||
ными |
|
посредством |
уравнений |
неразрывности |
(1.5) |
соотноше |
||||||||||||
ниями |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
<p + f |
+ c t g 9 f = 0 , |
<$ + F'+ |
|
ctgQF = |
0 . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
И м е я это в виду, получим уравнения |
движения |
|
|
|
|
|||||||||||||
Г 2 + |
3 ctg 0//' + / f " + |
' 2 = |
-2g |
+ f"' |
+ 2 ctg 9 Г - |
( 2 + |
c t g 2 0 ) f ' |
+ |
||||||||||
|
|
|
+ |
ctg 0(1 + |
|
ctg2Q)f |
|
+ S(F"-+3ctgQFF'+FF" |
|
|
+ |
L2); |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.23) |
ff- c t g 9 / 2 = - g ' - / " - |
c t g 9 f ' + ( l + |
ctg 2 |
9 ) / + |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
+S(FF'- |
c t g 6 L 2 ) |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.24) |
|||
/ ( / ' + ctg Ql)=l"+ |
c t g 0 / ' - ( l |
+ |
c t g 2 0 ) / + S f |
( L ' + |
ctgflL) |
(2.25) |
||||||||||||
и уравнения |
индукции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
f ' " + 2 F " c t g 9 - ( 2 |
+ ctg2$)F'+ |
|
ctg 0 ( 1 + |
c t g 2 |
9 ) F = |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
= |
p [ctg 9 ( f F ' - F f ) |
|
+fF"-Ff']; |
|
|
|
|
|
|
|
(2.26) |
||||
F" + |
ctg |
BF'- |
(1 + c t g 2 0 ) F = p ( f F ' - F f ' ) ; |
|
|
|
|
|
|
(2.27) |
||||||||
L"+ |
ctg 0 1 ' - ( 1 + |
c t g 2 |
9 ) L = |
p(2L/ ' + L / f + / / J F |
+ |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
+ |
ctg QLf- |
ctg 0/F) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.28) |
||||
Связи м е ж д у искомыми функциями в обеих системах |
координат |
|||||||||||||||||
легко |
получить, если |
воспользоваться в ы р а ж е н и я м и |
составляю |
|||||||||||||||
щих вектора в цилиндрических координатах |
через |
составляю |
||||||||||||||||
щие в сферических |
координатах . Это |
даст |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
/ (ті) = |
- |
sin 2 |
0/' (0), |
|
w (ті) = |
- |
sin .0 cos |
0/' (0) |
- / |
(9) |
, |
|
|
|||||
/(*Ti)=sin 9/(9) , /7 (Ti) = - s i n 2 0 F ( , 0 ) , |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
W{t[)=- |
|
s i n 0 c o s 0 F ( 0 ) - F ( 9 ) |
, L ( t ] ) = |
s i n 9 L ( 0 ) , |
|
|
|
|||||||||||
g(i\)= |
|
|
s i n 2 9 £ ( 9 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
свою |
очередь, |
можно |
получить "ф(т|) = / ( 9 ) , |
^(ц) |
—F(Q), |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
что |
в совокупности |
с очевидными соотношениями |
Т]= — = ctg в |