Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Статьи Рисунки Таблицы О сайте English
Несмотря на то что линеаризованные уравнения движения справедливы лишь для малых возмущений, они важны для выяснения физических механизмов усиления конечных возмущений несжимаемой ньютоновской жидкости.

ПОИСК





Постановка линейных задач гидродинамической устойчивости

из "Возникновение турбулентности в пристенных течениях"

Несмотря на то что линеаризованные уравнения движения справедливы лишь для малых возмущений, они важны для выяснения физических механизмов усиления конечных возмущений несжимаемой ньютоновской жидкости. [c.22]
Эти уравнения вместе с граничными и начальными условиями дают полное описание эволюции произвольного бесконечно малого (линейного) возмущения в пространстве и во времени. Граничными условиями являются исчезновение V на неподвижных твердых поверхностях, а для внешних течений ограниченность V на бесконечности. В последнем случае условие исчезновения возмущений на бесконечности гарантирует, что течение релаксирует к невозмущенному состоянию во внешнем потоке, а значит, рассмотрение ограничивается только возмущениями сдвигового слоя. Ситуации, когда возмущение не исчезает на бесконечности, но ограничено, т.е. вынужденные возмущения свободного потока, будут рассмотрены в п. 1.7. [c.26]
Проводимое разложение эквивалентно переходу из физического пространства в спектральное пространство частот и волновых чисел. Рассматриваемые решения представляют собой собственные (свободные или не вынужденные) гидродинамические волны, быстро осциллирующие по д и 2 на масштабе локальной параллельности Ь А, где Я — длина волны возмущения с амплитудами, мало изменяющимися на этой длине волны. Отметим, что при такой редукции начально-краевой задачи необходимо проверять полноту получаемой системы волн, поскольку не исключено, что часть элементарных решений может иметь другой вид (см. п. 1.7). [c.27]
Если получаемые таким способом элементарные решения образуют полную систему то эволюцию во времени любого возмущения, возникшего в момент времени 1 = О, можно проследить, рассматривая его разложение по элементарным волновым решениям. Отметим, что в результате решения (1.28) получается только абсолютная величина временного множителя е , но не его фаза, которая зависит от начальных условий. Таким образом, изучаемое возмущение не определяется однозначно стационарными краевыми условиями. А поскольку стационарное движение полностью задано ими, можно сказать, что возмущение обладает дополнительной степенью свободы [Ландау, Лифшиц, 1986]. [c.30]
Понятие устойчивости во времени в спектральной задаче определяется следующим образом. Если найдутся такие комплексные собственные значения ш = 1о), характеристического уравнения (1.28), что со, О при некоторых вещественных и /б, то невозмущенное состояние (линейно) неустойчиво. Если же а , О для любых а и /б, то оно считается устойчивым. В том случае, когда а . = О, обычно полагают, что система нейтрально устойчивая. Нейтральное возмущение может быть двух типов если = О, то оно стационарно и выполняется принцип смены устойчивостей если О, то оно периодическое во времени и представляет собой бегущую волну. [c.30]
Уравнение ш.(а, /3, Яе) = О параметрически определяет в пространстве а, Р, Яе) поверхность, отделяющую область параметров, при которых течение устойчиво, от области неустойчивости и называемую границей или поверхностью нейтральной устойчивости. Минимальное для всех частот число Рейнольдса Яе , при котором может возникнуть неустойчивость, называют (первым) критическим числом Рейнольдса спектральной задачи. Нахождение нейтральных поверхностей и критических чисел Рейнольдса является одной из основных задач теории гидродинамической устойчивости, так как этим определяются области параметров, при которых основное ламинарное течение устойчиво или неустойчиво по отношению к малым возмущениям . [c.30]
Первое из этих уравнений выполнимо, только если волны затухают, т.е. со, О, а из второго следует непосредственно, что скорость распространения волн завихренности лежит между минимальной и максимальной скоростями течения. Поэтому, как и в двумерном случае, для ответа на вопрос об устойчивости течения можно ограничиться уравнением Орра — Зоммерфельда и решать уравнение нормальной завихренности, только если необходимо знать распределение поперечной компоненты скорости или нормальной завихренности в волне или волновом пакете . [c.31]
что в случае вещественных а а Р трехмерные волны имеют меньшие эффективные числа Рейнольдса по сравнению с идентичными двумерными, причем при W = О задача определения границы линейной устойчивости трехмерных возмущений сводится к двумерной для того же профиля, но при меньшем числе Рейнольдса Rej. Это утверждение составляет теорему Сквайра [Squire, 1933], согласно которой в двумерном пограничном слое с вещественными волновыми чиспами двумерные возмущения нормальной скорости теряют устойчивость при меньших числах Рейнольдса, чем трехмерные той же частоты. Более того, если со = со(к, Р = О, R j) определена для заданного профиля i/(3 ), то ш = а ( , р. Re) получается непосредственно из уравнений (1.32) —(1.35). [c.33]
Физически это означает, что на энергию возмущения влияет только компонента скорости среднего течения, отвечающая направлению распространения фронта наклонной волны. Поскольку в рамках данного подхода двумерные возмущения будут терять устойчивость заведомо при меньших числах Рейнольдса, для нахождения Re можно рассмотреть лишь двумерные волны, а вместо поверхности нейтральной устойчивости ограничиться нейтральной кривой в плоскости (а, Re ), образованной значениями со.(а, /3 = 0, Re) = О для двумер -ной задачи. [c.33]
Наконец, для решения задачи начальных значений, например при исследовании развития волновых пакетов и возмущений конечной амплитуды, решение линейной задачи является лишь отправной точкой, когда необходимо нахождение не только собственных значений, но и собственных функций 5, которые для прямых и наклонных волн различны. Более того, в этой ситуации попытка свести задачу только к поиску собственных значений и собственных функций и физически не оправдана, поскольку операторы Орра — Зоммерфельда и Сквайра, как правило, несамосопряженные и соответствующие им собственные функции, как следствие, неортогональные. В этом случае, чтобы описать развитие во времени произвольного возмущения, удовлетворяющего граничным условиям, заданной формы в начальный мрмент времени, нужно найти полную систему волн, составляющих исходное возмущение, и решить начальную задачу. Более подробно мы рассмотрим сложности, возникающие на этом пути, в п. 1.8. [c.34]


Вернуться к основной статье


© 2024 chem21.info Реклама на сайте