Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634699)
Контекстум
.
Прикладная механика и техническая физика

Прикладная механика и техническая физика №3 2006 (352,00 руб.)

0   0
Страниц180
ID200357
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 .— 2006 .— №3 .— 180 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/200357 (дата обращения: 24.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Исследовано асимптотическое поведение нелинейных возмущений на фронте волны и найдены условия перехода от гладких течений к обрушивающимся волнам при стационарном обтекании локального препятствия сверхкритическим потоком. <...> Ключевые слова: однородная жидкость, сверхкритическое течение, волны предельной амплитуды, обрушение волн. <...> Однако в отличие от точной постановки задачи Коши — Пуассона в рамках второго приближения невозможно описать волны предельной амплитуды и получить критерии перехода от гладких волн к обрушивающимся. <...> В данной работе исследуется математическая модель, учитывающая влияние поверхностного турбулентного слоя на структуру стационарного течения в окрестности локального препятствия. <...> Для описания стационарных течений со свободной поверхностью в окрестности локального препятствия используем следующее представление для избыточного давления: p = u2 (2hhxx − h2x + 3k(zx2 + hzxx ))/6. <...> Рассматриваются гладкие решения (3), описывающие стационарные возмущения равно√ мерного сверхкритического потока (h = h0 , u = u0 , Fr = u0 / gh0 > 1) при обтекании локального симметричного препятствия z(x) = 0 при |x| > l. z(x) = z(−x), <...> (5) Требуется найти возможные волновые конфигурации, локализованные в окрестности препятствия. <...> При Fr > 1 локализованные в окрестности препятствия течения задаются решениями уравнений (6), удовлетворяющими условиям (5) и симметричными относительно начала координат. <...> 3 показано, что использование модели (3), учитывающей формирование поверхностного турбулентного слоя, позволяет не только определить волны предельной амплитуды, но и описать процесс обрушения волны и развития турбулентного бора. <...> Тем не менее полученное решение уже не симметрично и представляет собой волновой бор с постепенно нарастающей толщиной турбулентного слоя (см. <...> Если условие ∆ < 0 справедливо для всей области течения вплоть до достижения верхним турбулентным слоем дна канала (h = 0), решение (18) над ровным дном (z = 0) является <...>
Прикладная_механика_и_техническая_физика_№3_2006.pdf
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2006. Т. 47, NУДК 517.958: 531.327.13 ОБРУШЕНИЕ ВОЛН ПРЕДЕЛЬНОЙ АМПЛИТУДЫ НАД ПРЕПЯТСТВИЕМ В. Ю. Ляпидевский, Ж. Сюй∗ Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090 Новосибирск ∗ Институт физической океанографии Океанского университета Китая, 266003 Чиньдао, Китай E-mail: liapid@hydro.nsc.ru В длинноволновом приближении изучаются течения однородной тяжелой жидкости над неровным дном. Предложена математическая модель, учитывающая как дисперсионные эффекты, так и формирование турбулентного верхнего слоя при обрушении поверхностных гравитационных волн. Исследовано асимптотическое поведение нелинейных возмущений на фронте волны и найдены условия перехода от гладких течений к обрушивающимся волнам при стационарном обтекании локального препятствия сверхкритическим потоком. Ключевые слова: однородная жидкость, сверхкритическое течение, волны предельной амплитуды, обрушение волн. Введение. Для описания волновых процессов в течениях однородной тяжелой жидкости со свободной поверхностью широко используются математические модели, соответствующие второму приближению теории мелкой воды (различные варианты уравнений Буссинеска [1], уравнения Грина — Нагди [2], уравнения Железняка — Пелиновского [3] и т. д.). Эти уравнения адекватно отражают структуру нелинейных волновых фронтов умеренной амплитуды. Однако в отличие от точной постановки задачи Коши — Пуассона в рамках второго приближения невозможно описать волны предельной амплитуды и получить критерии перехода от гладких волн к обрушивающимся. Процесс обрушения поверхностных волн в последнее десятилетие интенсивно исследуется экспериментально [4–6]. Показано, что при обрушении развивается приповерхностный турбулентный слой, который играет важную роль в формировании волнового фронта. Теоретические модели этого процесса построены только для развитых турбулентных боров [7–9]. В данной работе исследуется математическая модель, учитывающая влияние поверхностного турбулентного слоя на структуру стационарного течения в окрестности локального препятствия. 1. Математическая модель. Уравнения мелкой воды для несжимаемой жидкости с учетом поверхностного турбулентного слоя и негидростатичности распределения давления могут быть записаны в следующем виде (см. [10, гл. 6]): ht +(hu)x = −σq, ut +uux +g(h+η +z)x +px = 0, ηt +(ηv)x = σq, (1) Работа выполнена при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (грант № 40276008) и Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 05-05-64460). ◦ 3 3
Стр.1
4 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2006. Т. 47, Nvt +vvx +g(h+η +z)x = σq(u−v)/η, qt +vqx = σ(u−v)2 −(1+θ)q2/(2η). Здесь h, η — глубина нижнего (потенциального) и верхнего (турбулентного) слоев; u, v —соответствующие средние горизонтальные скорости в слоях; q —среднеквадратичная скорость мелкомасштабного движения в верхнем слое; g —ускорение свободного падения; z = z(x) — форма дна; коэффициенты σ и θ постоянны. Для замыкания модели нужно выбрать выражение для связанного с эффектами негидростатичности дополнительного давления p на дне канала. При p ≡ 0 уравнения (1) представляют собой первое приближение теории мелкой воды с учетом обрушения поверхностных волн. Структура бегущих волн для этой модели исследована в [9, 10]. При p = p(h, ˙h, ¨ h), ˙h = ∂/∂t + u∂/∂x получаем обобщение различных моделей, соответствующих второму приближению. Для описания стационарных течений со свободной поверхностью в окрестности локального препятствия используем следующее представление для избыточного давления: p = u2(2hhxx −h2 x +3k(z2 (hu)x = −σq, x +hzxx))/6. uux +g(h+η +z)x +u2(2hhxx −h2 (ηv)x = σq, x +3k(z2 (2) При k = 1 зависимость (2) получена в [11], при k = 0—в [12]. Для стационарных течений система (1), (2) принимает вид x +hzxx))x/6 = 0, vvx +g(h+η +z)x = σq(u−v)/η, vqx = σ((u−v)2 −(1+θ)q2)/(2η). Рассматриваются гладкие решения (3), описывающие стационарные возмущения равномерного сверхкритического потока (h = h0, u = u0, Fr = u0/√gh0 > 1) при обтекании локального симметричного препятствия z(x) = z(−x), z(x) = 0 при |x| > l. h→h0, u→u0, η →0 при x→−∞. (4) Предполагается, что на достаточно большом расстоянии от препятствия вверх по потоку течение не возмущено, т. е. (5) Требуется найти возможные волновые конфигурации, локализованные в окрестности препятствия. Рассмотрим сначала решение этой проблемы в рамках более простой модели в предположении о том, что поверхностный турбулентный слой отсутствует (η ≡ 0). 2. Уединенные волны над препятствием. При η ≡ 0 система (3) редуцируется к модели, полученной в [11]: u2/2+g(h+z)+u2(2hhxx −h2 hu = Q ≡ const, x +3k(z2 x +hzxx))/6 = J = const . (6) В работе [11] уравнения (6) использовались для построения транскритических режимов течения над препятствием (Fr < 1). При Fr > 1 локализованные в окрестности препятствия течения задаются решениями уравнений (6), удовлетворяющими условиям (5) и симметричными относительно начала координат. Такие решения могут быть получены возмущением двух типов течений над ровным дном: равномерного течения и уединенной волны. Поэтому в определенном диапазоне чисел Фруда Fr > 1 в окрестности препятствия могут быть реализованы два различных течения. (3) ◦ 3
Стр.2
В.Ю. Ляпидевский,Ж. Сюй y 5 1 2 h0, u0 d 3 0 x Рис. 1. Сверхкритическое обтекание препятствия (модель (6), Fr = 1,5, σ = 0,15, δ = 0,5h0, k = 0): 1 — возмущение уединенной волны; 2 — возмущение равномерного течения; 3 — препятствие (полуцилиндр радиуса R = 0,5h0) форма которого может быть найдена интегрированием уравнений при z = 0, то (6) редуцируется к одному уравнению первого порядка h2 x = 3 Fr2 h3 0 (h−h0)2(Fr2 h0 −h), Q = h0u0, J = (Fr2/2+1)gh0. Таким образом, проблема отыскания симметричных течений в окрестности локального препятствия сводится к построению решений (6) на интервале (−l, 0) со следующими краевыми условиями: hx x=−l = 3(Fr2 h0 −h)1/2 0 Fr2 h3 (h−h0), hx x=0 = 0. (8) Решение задачи (6), (8) может быть найдено численно при заданной форме препятствия. Для гладких препятствий простой формы можно показать, что существует критическое значение Fr∗ > 1 такое, что при Fr > Fr∗ задача (6), (8) имеет два решения, причем при увеличении числа Фруда амплитуда волны, соответствующей возмущенному солитону, неограниченно возрастает [13, 14]. На рис. 1 представлены профили симметричных волн при сверхкритическом обтекании локального препятствия (полуцилиндра), полученные возмущением уединенной волны (кривая 1) и равномерного потока (кривая 2) в рамках модели (6) при k = 0. В отличие от точной постановки задачи Коши—Пуассона [13] различные модификации уравнений мелкой воды над неровным дном (второе приближение), включая уравнения Кортевега — де Фриза [14, 15], не имеют ограничений на амплитуду волны и, следовательно, не дают критерия перехода от гладких волн к обрушивающимся. В п. 3 показано, что использование модели (3), учитывающей формирование поверхностного турбулентного слоя, позволяет не только определить волны предельной амплитуды, но и описать процесс обрушения волны и развития турбулентного бора. Так как течение вне препятствия (при |x| > l) представляет собой часть солитона, (7) решение которого представляется в квадратурах. Заметим, что в (7) использованы условия (5), т. е.
Стр.3