научная статья по теме МЕТОД СИНГУЛЯРНЫХ УРАВНЕНИЙ В ГРАНИЧНЫХ ЗАДАЧАХ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ Математика

Текст научной статьи на тему «МЕТОД СИНГУЛЯРНЫХ УРАВНЕНИЙ В ГРАНИЧНЫХ ЗАДАЧАХ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ»

тгавить вопрос об »етааии, а именно нтовой механики, екая интерпрета-:ли и существуют Но на следующем

ну, излагать сле-механике) имеют ие скрытые пара-[ (какие-то фазы). цы в том и ли ином крытым парамет-(екотором смысле гимым процессам на примере одной )ычное уравнение ю, во всяком слу-ш вероятностей в гь, что у частицы ;азать, что кван-мй вероятностей экотором смысле мественные рас-еленности, не те-доказательства ничиться равно-

ее туманны, чем л квантовой ме-зрпретация, так ется, такие рас-шенность кван-ли не решение, I, чем обычные,

164.

шло 4.II.2004 г.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ -A..L , .

И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА м Ч "

Том 143, № 3 v. . - *ч июнь, 2005

. -гш< väti

«Д.ЙЧ t ! ' ■ i . ,•.>■■• <; i

.. f. - H.J

->c;fi. • If* ■<■

HP г>1 ■-'^•'Л.

•; - >? ■

" * «J» >'< - ; -, •

Я», •

. . II

©2005 г. - - A.B. Латышев*, A.A. Юшканов* : >

МЕТОД СИНГУЛЯРНЫХ УРАВНЕНИЙ В ГРАНИЧНЫХ ЗАДАЧАХ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Развивается новый эффективный метод решения граничных задач кинетической теории. Метод позволяет получить решение граничных задач для зеркально-диффузных граничных условий с произвольной степенью точности. В основе метода лежит идея разбиения задачи на две, одна из которых имеет диффузное условие отражения молекул от стенки, а вторая - зеркальное условие. Метод излагается на примере классических задач кинетической теории - задачи Крамерса (об изотермическом скольжении) и задачи о тепловом скольжении. Используются уравнение Вхатнагара-Гросса-Крука (с постоянной частотой столкновений) и уравнение Вильямса (с частотой столкновений, пропорциональной скорости молекул). -Ц»-.- V(,4. Г •-!? .' , (,,

Ключевые слова: граничная задача, кинетическое уравнение, задача Крамерса, задача о тепловом скольжении, коэффициенты изотермического и теплового скольжений.

1. ВВЕДЕНИЕ

Метод сингулярных интегральных уравнений является важным методом в теоретической и математической физике, с помощью которого был решен ряд значительных проблем [1]. В кинетической теории точному аналитическому решению поддается сравнительно узкий класс граничных задач [2], [3]. Поэтому развитие новых эффективных методов в этом направлении является актуальной проблемой.

К настоящему времени имеется ряд граничных задач кинетической теории, решенных аналитически (см., например, [4]-[6]). Однако в этих задачах условие на стенке является либо диффузным, либо почти зеркальным. Если взять в этих задачах более общее граничное условие, например, зеркально-диффузное условие (условие Максвелла) на стенке, точное решение построить не представляется возможным.

В то же время ощущается настоятельная потребность в решении ряда задач как для электронов в металле (скин-эффект), так и для разреженных газов (скольжение и скачки макропараметров на границе газ-твердое тело) при наличии общих зеркально-диффузных граничных условий.

- - * - -m - j i 't't ■ * - г

* Московский государственный областной университет, Москва, Россия. E-mail: avlatyshev@comail.ru, yushkanov@mtu-net.ru i

Цена 18 |»у6. Переплет 1 р.

438 а. в. латышев, а. а. юшканов ,

В связи с этим в данной работе развивается метод, позволяющий получить решение задачи с зеркально-диффузным граничным условием Максвелла с произвольной степенью точности.

Метод основан на использовании сингулярных интегральных уравнений с ядром Ко-ши и на точном решении задачи с диффузным условием и задачи с зеркальным условием на стенке.

В работе [7] также был предложен метод для решения граничных задач с условием Максвелла, основанный на приближенном решении сингулярных интегральных уравнений. Особенностью предлагаемого в данной работе метода, в отличие от рассмотренного в работе [7], является совпадение с точными результатами при ц —> 0 и при ц = 1, т.е. когда коэффициент аккомодации тангенциального импульса принимает предельные значения: ц = 0 соответствует чисто зеркальному рассеянию молекул на стенке, д = I - полностью диффузному рассеянию.

Полученные в работе результаты показывают, что в случае постоянной частоты столкновений в задаче Крамерса значения коэффициента скольжения отличаются от значений того же коэффициента, рассчитанного в работе [8] на основе применения численных методов решения кинетического уравнения: при ц = 0.1 - на 0.014%, при ц = 0.5 - на 0.034%, при <7 = 0.9 - на 0.087%; при ц = 1 результаты совпадают. В задаче о тепловом скольжении эти значения отличаются при ц = 0.1 на 0.015%, при ц = 0.5 на 0.028%, при <7 = 0.9 на 0.006%; при ц = 1 значения совпадают.

2. УРАВНЕНИЕ БХАТНАГАРА-ГРОССА-КРУКА

Как известно [2], [5], [7], задача Крамерса с условием Максвелла на стенке сводится к решению следующей граничной задачи:

= 4= - (2-1)

.ОХ 0г

ф(0,ц) = (1-д)т-р), А» > 0, . " • ' (2.2) ф{х,ц) =флв{х,ц)+о{ 1), х > +оо, ц < 0, ' (2.3)

гДе . .... ...

, р) = 2и0 + 2д„(х - ц), ; г

Со ~ неизвестная скорость изотермического скольжения, ду - градиент безразмерной массовой скорости.

Разделение переменных в уравнении (2.1) приводит к выражению

* - ■' ' ' . ; * '. а

фГ1(х,р)=е-х/г>Ф(т),р), ... (2.4)

где г) - спектральный параметр, или параметр разделения.

Подставляя (2.4) в (2.1), приходим к характеристическому уравнению

(Ч-ц)Ф(т1,ц) =

(2.5)

Цена 18 Пареплет 1 р.

МЕТОД сингулярных уравнений в задачах кинетической теории 439 ; условием (нормировкой на собственную функцию Ф) . ^

/•Оо 5

/

J — оо

Ф(т),м)«гр = 1.

(2.6)

При V € (-00, оо) из уравнений (2.5), (2.6) в пространстве обобщенных функций [9]

находим собственные функции непрерывного спектра:

5 '¡|> г-Ц

' ф(п, и) = -^Р— + е"2\(щ)6(г} - м)-

(2.7)

Здесь А(,) - дисперсионная функция Черчиньяни, <$(*) - дельта-функция Дирака, символ Рх~1 означает главное значение интеграла от х , ' "

\{г) = 1 + г

1 е

л/п ]-оо г~

Решение задачи (2.1)-(2.3) теперь будем искать в виде

ф(х,ц) = гЫ*'м) + Фс(х,и),

где

■ (х,ц) = Г е-х/"Ф(гу,м)а

Уо < " '

(г?) йц,

(2.8)

(2.9)

а(п) - неизвестная функция (коэффициент непрерывного спектра), функцияФ определяется равенством (2.7), функции ^ и ^ являются решениями уравнения (2.1).

С помощью (2.8) перепишем условие (2.2) в виде

1/>с(0,м) -(1- «№с(о, -м) = м>0,

(2.10)

где

Мр) = (1 " <7)^(0, -р) - ^аз(0, л) = -29% + 25„(2 - д)М,

а условие (2.3) - в виде '

фс{+оо,ц) = 0, м<0.

Воспользовавшись тождеством , • „

А = дА + (1 - <7)А, 1

(2.11)

(2.12)

(О, /,) и ф0{ц) из уравнения (2.10) в виде (2.12). Тогдаусловие (2.10) мож-шде

#с(0,р) + (1 - «Ш<М - м0, = ^оЫ + (1 - М > 0- (2.13)

представим но записать в виде

Величины ц и 1 — ц являются линейно независимыми. Следовательно, условие (2.13) эквивалентно двум условиям:

^с(0,/х) = + ц>0, (2.14)

... /х) - ^с(0, -/х) = фо(ц) - чС{ц), ц> о, ,, (2.15)

где С (ц) - некоторая неизвестная функция.

Таким образом, задача Крамерса с условием Максвелла на стенке эквивалентна двум граничным задачам, первая из которых состоит из уравнения (2.1), условия (2.11) вдали от стенки и диффузного условия (2.14); вторая задача состоит из уравнения (2.1), условия (2.11) вдали от стенки и зеркального условия (2.15).

Обозначим через ф^ (х, /х) и ф^ (х, /х) соответственно решения первой и второй граничных задач. Их решение позволяет определить функции ф^(0, ц) и ф^(0, /х) через неизвестную функцию С(ц). Обозначим также ^с (¿0 = Фс2\о,ц) — Фс*\0, — А4)- Так как в точном аналитическом решении ф^\х, ц) = ф^ (х,ц), то очевидно, что функция С(ц) определяется из условия

ФсМ = 4*4- -/х). ' "' ' ' (2.16)

Перейдем к решению этих задач. "у.*"""

3. ЗАДАЧА С ДИФФУЗНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ

Начнем с первой задачи. Ищем решение в виде разложения (2.9). Подставляя (2.9) в левую часть условия (2.14), получаем сингулярное интегральное уравнение с ядром Коши:

1 г°° щЩп^ + хА(/х)аЫ = Ы(1) + (1 _ м > 0 (зл)

VК Jo V ~ И Введем вспомогательную функцию • (

ад'ГвМЙ, (3.2,

л/ТГ Т) - 2

, ■ - . -. . -аналитическую везде в комплексной плоскости кроме разреза вдоль положительной действительной полуоси. Граничные значения этой функции сверху N+(fJ,) и снизу ТУ- (/х) на полуоси /х > 0 связаны формулой Сохоцкого:

ЛГ+(/х) -N-(11) = 2у/ж1ца{ц), /х > 0. : -г ' (3.3)

Будем считать, что функция С(ц) аналитически продолжима с действительной полуоси в комплексную плоскость. С помощью граничных значений N(2) и Х(г) сведем уравнение (3.1) к краевой задаче:

А+Ы[7У+Ы - фо(») - (1 - д)С(ц)} = • г Ь • ' = А-(/1)[ЛГ-(/1) - ф0(ц) - (1 - д)С0х)], // > 0. . ' (3.4)

ц

Цена 18

Ш:

Переплет I в

льно, условие (2.13)

(2.14)

(2.15)

1 эквивалентна двум условия (2.11) вда-из уравнения (2.1),

эрвой и второй гра-)кфс2\о,ц) через -^2)(0,-р). Так 1ИДН0, что функция

(2.16)

ЮВИЕМ

Подставляя (2.9) равнение с ядром

^ > 0. (3.1)

(3.2)

южительной дей-

N+(ß) и снизу

(3.3)

ствительной по-г) и А (г) сведем

(3.4)

метод сингулярных уравнений в задачах кинетической теории 441

Индекс коэффициента С(ц) = А- (/х) / А+ (ß) этой задачи равен x(G) = — 1. В самом деле, обозначим через 0(/х) = arg А+ (ц) регулярную однозначную ветвь аргумента, фиксированную в нуле условием 0(0) = 0. Заметим, что #(+оо) = тт. Следовательно,

x(G) = ¿[аг6СЫ](0,+оо) - -^[Ö(/x)](o,+oc) = = _i.

2тг1

Рассмотрим однородную задачу, соответствующую задаче (3.4):

Х+М А+(/х)

Решение задачи (3.5) [10] имеет вид

А "(л)' C(r)dr

ß>0.

(3.5)

*W = I.v(.), vW = ircWÜL, c(r) = -

z 7Г Jq T — Z

arctg ■

А (r)

2 7гу0 т — г " 2 уДте-т2'

Преобразуем задачу (3.4) с помощью (3.5) к задаче определения аналитической функции по ее нулевому скачку на разрезе: ,пг . . .... ..„- . ,.

. х+(»)[м+(ц) - Ми) - (1 - </№)] = .' ■;

= Х- Ы[ЛГ- („) - тр0(/х) - (1 - Л > 0. (3.6)

Общее решение задачи (3.6) зависит от порядка роста функции С (/л) в бесконечно удаленной точке. Ограничимся далее для определенности приближениями нулевого и первого порядков, взяв в качестве функции С(ц) полином первой степени С(ц) = Со + С\ц (в нулевом приближении С(ц) = Со, С\ = 0). Тогда общее решение задачи (3.6) дается формулой

¿о

N(z) = -2U0q + 2(2 - q)gvz + (С0 + Схг)(\ - q) +

X(z)>

(3.7)

где do - произвольная постоянная. ,, ,

Неизвестная функция а (г/) находится из равенства (3.3), е

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком