научная статья по теме О ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ВЯЗКОЙ ДВУХСЛОЙНОЙ ЖИДКОСТИ В СОСУДЕ С ПРОНИЦАЕМЫМ ДНОМ Математика

Текст научной статьи на тему «О ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ВЯЗКОЙ ДВУХСЛОЙНОЙ ЖИДКОСТИ В СОСУДЕ С ПРОНИЦАЕМЫМ ДНОМ»

о параметрической неустойчивости

1959

ЭН

Umz = "ду, Ui = U2 на Еь

- P2 + 2 V2P2

ЭЦ"

Э z

= -P,

U2z = U3z,

Л л аДЗ Э U21 E

U2^ - U3^ = -033-ЭГ На E2.

Здесь (1.1) - уравнения Навье-Стокса и непрерывности, а первое уравнение (1.2) - уравнение Дарси (см. [1]), а3 - безразмерная величина, характеризующая структуру проницаемого материала вблизи E2 (см. [2]).

Декартова система координат xyz выбрана так, что плоскость xy совпадает с границей раздела E жидкостей, а орт ez направлен вертикально вверх. Уравнения границ раздела Eb E2 есть z = 0, z = -h2 соответственно, а уравнения частей поверхностей Su S3, являющихся, соответственно, крышкой и дном сосуда, имеют вид z = hx, z = -h3 (h3 > h2), т.е. высота пористого слоя h = h3 - h2.

За единицу длины примем характерный размер d сосуда, а за единицу времени - величину, обратную к наименьшей частоте ю(0) собственных колебаний идеальной двухслойной жидкости в замкнутом сосуде. Положим

Um = d Ю(0)( Vm - Уфт), Pm = -Pmgz + Pm (d W^)^ - PmzsQ2 COS (Q t), H = ] d,

U3 = dю(0)u, P3 = -P2gz + P2(dЮ(0))2p - P2zsQ2cos(Qt).

Сохраняя за независимыми безразмерными переменными прежние обозначения, для функций 9m, vm, n, p, u получаем задачу

A n dv m 2 .

A9m = 0, = £ ^mAVm

div vm = 0 в Dm

(1.3)

u = -£1 Vp, Ap = 0 в D3, V9m = Vm на Sm, (u • n) = 0 на S3,

(1.4)

(1.5)

^¡7- P17) - (1- P)[ 1+ £2cos(Qt)]n = £22F

iv

2z

Э z

- PV

Э v1z Э Ф2

dz

Э zZ

2

Э Ф1 PV—г

Э z

(1.6)

Эт] = д <p m

dt Vmz Э z

Э v Э v

—2i - Pvfe + ^

Э ? P4 dz

эz э? эz э? )

—Ф2- — Ф1 = V2-Vi на El,

2

Ф9 Э v 77

2 2z p

Э2 ф2 „ Э2®1 -2 +2 PV -л;-""-"- = 0,

^ + 2e2 dt

Э z^

dz

(1.7)

Э Ф 2

' dz

v

2?

- ЭФ2 + £ Г Э 2 Ф 2 Э

v2

Э? 3Vdzd^ dz

21 =

= u на E2.

Здесь = v51m + 52т, V = v1/v2, р = р1/р2, е2 = 1/Я, Я = сРю(0)^2 - число Рейнольдса, е1 = RDa,

Da = к3/сС2 - число Дарси, е2 = sQ2/g, е3 = -Тба/а3, ^ = (m(0))2d/g, 5^ - символ Кронекера. Считаем, что Я > 1 (е < 1), Da < 1, но RDa < 1. Положим е1 = ев, е2 = е1/?у (# = 1, 2). Из соотношений для е и е1 следует, что е3 = е3/2Х (в, у, X = 0(1)).

1960 КРАВЦОВ

Задача (1.3)—(1.7) является сингулярно возмущенной, так как содержит малый параметр е2 при старшей производной. Асимптотическое решение будем искать в виде

1/2 1/2 Фм = Фт = Фм0 + е Фм1 + еФм2 + - , П = По + е П1 + еП2 + - ,

Ут = $Ут + 2 Ут + 62м2 У2 = 8о\т + е $1 Ут + — ,

. „(1) . 1/2„ (1) , 5 _(2) , 1/2 ~ „(2) . + 20 У т + е У т + - + 52м20 >2 + е 62т>2+ -

1/2 1/2 и = Ы0 + е Ы1+ еи2 + —, р = р() + е Р1 + ер2 + —

(1.8)

Здесь Фт, п, и, р - регулярные части асимптотического разложения, а $уМ, 2(1)уМ, 2(2)у2 - по-гранслойные части, существенные лишь в подобластях 0$ , 02 , 02 , примыкающих к поверхностям $ш, 21 и 22 соответственно (пограничные слои только в областях 0ш). Функции Фт0, п0 описывают собственные колебания частоты ю идеальной двухслойной жидкости, полностью заполняющей замкнутый сосуд высоты к1 + к2 с непроницаемым дном, и имеют вид (см. [3])

Фт0 = С/т0СО$ ц, П0 = -С 1:Юр(/20 - Р /10 ^ = 0, ^ = Ю

где/т0 являются ненулевыми решениями задачи

Д/т0 = 0 В От, = 0 на $1, / = 0 на $2 и 22

-/20 Э/10 -/20 р-/10 2 (г Г ) 2

"эТ = "ЭТ' ИГ~р"эТ = (/20-Р/10) на 21.

Здесь и далее д/дп - производные по направлениям внутренних нормалей к границам областей 0к, к = 1, 2, 3.

Согласно идее метода усреднения Крылова-Боголюбова, будем считать, что амплитуда С и скорость изменения фазы йц/Л меняются со временем и что каждая из функций в (1.8) зависит от амплитуды С, фазы ц и разности фаз 0 = ц - дШ/2 (# = 1, 2).

Функции С и 0 удовлетворяют соотношениям

йС/йг = е1/2А1 (С, 0) + еА2(С, 0) + —, й0/йг = Д + е1/2В1 (С, 0) + еВ2(С, 0) + —, (1.9)

где Ап(С, 0), Вп(С, 0), п = 1, 2, ... - периодические функции 0, подлежащие вместе с коэффициентами разложений (1.8) определению из задачи (1.3)-(1.7), Д = ю - дЦ/2 - "расстройка" частот. Будем считать, что Д = О(е).

Для частных производных по г от неизвестных функций, входящих в (1.3)-(1.7), будем иметь разложения, отличные от (1.8). Приведем, например, разложения для дфт /дг:

^ = ю '-Ф"? + е'/2 Г * 1 (Фт0) + Ю Й?) + «Т*2 (Фт0) + К1 (Фт.) + юдФт2

-г дц ( 14 т0/ дц у ( 24т0' 14 т1 дц Кп(Фтк)-д-СкАп + (¿-М + ^)Вп, к = 0, 1,—, п = 1, 2,—.

В введем локальные ортогональные криволинейные координаты 51, s2, s3 (индекс т для краткости опустим), а в 02 и 02 - декартовы координаты х, уш, 2ш и х3, у3, г3 соответственно, аналогично тому, как это было сделано в [3].

Рассматриваем погранслойные члены $уМ, 2(1)уш, 2(2)у2 как функции "растянутых" переменных а = 53/е, = гш /е, = ^3/е соответственно.

О ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ

1961

Требуем, чтобы погранслойные функции удовлетворяли соотношениям

$уМ —" 0 при а —► 2(1)уМ —► 0 при —- 2(2)у2 —► 0 при —- (1.10)

Подставляя разложения для всех неизвестных функций, а также разложения для частных производных по г от функций фш, уМ и п в (1.3)-(1.7) и приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях е, получаем последовательность задач для определения коэффициентов разложений (1.8).

2. АСИМПТОТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ В СЛУЧАЕ СУБГАРМОНИЧЕСКОГО

РЕЗОНАНСА

Пусть частота О колебаний сосуда близка к величине 2ю (д = 1).

Погранслойные функции $0уш, $2уша, 201) ум, 221) 202) у2, 222) V^ совпадают с аналогичны-

ми функциями из [3] и имеют вид

S0Vmа = 201) V ^ = 20"V £з = 0

^ ехр(-ата) 008 (ц - а,^), ат = (^Ю-

(2),

Г, _ п и 1 д/т0

$0 Vml = СН10

1/2

I = 1, 2,

(ц )1/2

$2Vта = СI 2Ю1 Дп/т0\ехр(-ата)[8ш(ц- ата) + 008(ц- ата)], ,61 т ТрТ^т(-/10 -/20)

201) V % = С""

^ Ьт

1 + рЛ (

ехр (-атСт) 008 (ц - ат Ст),

где знак минус берется при = х, £ = х, плюс - при = ут, £ = у,

2( 2) V, = С

д /2

где £ = х при ^3 = Х3, £ = у при ^ = У3,

ехр(-а2Сз)008(ц - а2Сз),

уО v =

22 V ?т =

(6 - р62 )( V ) 1/2

С 1""+ р """"V "" (2~о"") (Д ху/10- Д ху/20 ) I 21 ехр (-ат Ст )[ 8in (ц - ат Ст ) + 008 (ц - ат Ст )],

222) V ь =

С

""""— ДхУ/20 | 2, ехр(-а2Сз)[8т(ц - а2^з) + 008(ц - а2^з)],

72 ю 2

где Н10 = Н^, 52, 0) - коэффициенты Ламе криволинейной системы координат 51, 52, 53 при 53 = 0,

Д12, Дху, Дху - двумерные операторы Лапласа по переменным 51, 52; х, ут; х3, у3 соответственно.

Из первого уравнения (1.4), рассмотренного с точностью 0(ек/2), к = 0, 1, получаем, что ик = 0 в О3.

Давление р0 удовлетворяет задаче

др

Др0 = 0 в 03, "-"""0 = 0 на $3, р0 = -ю/20Сsinц на 22.

Отсюда имеем

0Ь [ к (г + Из)] .

р0 = Ю /2012г 01а ( кИ ) С 8in ц,

где ю и к связаны соотношением :ю2[ йЬ(кИ2) + р йЬ(кИ1) ] = (1 - р)к.

Из первого уравнения (1.4), рассмотренного с точностью 0(1), получаем

и2 = -в — р0 В Оз.

2

1962 КРАВЦОВ

Определим пограислойные функции !) V^ и У(2) V^. Из второго уравнения (1.3), рас-

смотренного в DmS с точностью 0(е-1/2), и первого условия (1.10) получаем

51 Vma = 0, ^ vma -- 0 при О -►

т.е. S1vmст = 0. Аналогичным образом получаем, что У(1) V ^ = 2) V ^ = 0.

Найдем функции А1, В1. Для этого рассмотрим задачу для функций Фт1 и п1:

ЭФ,, ЭФ2,

АФт1 = 0 в Dm, -дПГ = 0 на -П = 0 на 52 и^, (2.1)

ЭФ21 ЭФ

^Ю-Э^-Р "Э^-(1-Р)П1 = Ярк (Ф10) - к 1 (Ф20)],

ЭФт1 , ЮЭП1 _ ) ЭФ21 _ ЭФ 1 1 „ у

-эТ + Юду _ 1 (п), — " — на

Исключая п1, вместо первого и второго условий на У1 получаем одно для функций Фт1:

(2.2)

^ю2

Э2 Ф21 рЭФ„

Эу2 Эу2

ЭФ21 ЭФ11

р -3-^ _ 2ЮРШ/20- р/ю),

Эг к Эг (2.3)

_ Ап8ту + СВпсо8у, п _ 1, 2,... .

Из соотношений (2.1), (2.3) следует, что Э2Фт1/Эу2 = -Фт1. Учтя это, запишем условия разрешимости задачи для Фт1, в которую у входит уже как параметр:

11(/т0Э!г- Фт!/2)^ _ 0, т _ 1, 2. (2.4)

Вычтем из соотношения (2.4) при т = 2 соотношение (2.4) при т = 1, умноженное на р. После несложных преобразований будем иметь

Э /2

(А^шу + СВ^оъУ)|Д-д^Ч ^ _ 0.

Отсюда получаем, что А1 = В1 = 0. В качестве частного решения задачи (2.1), (2.2) выберем тривиальное, т.е. положим Фт1 = 0 в Dm, п1 = 0 на У1.

Задача для функции р1 аналогична задаче для функциир0, но с однородным граничным условием на У2. Поэтому р1 = 0 в D3.

Найдем остальные функции первого приближения. Из второго уравнения (1.3), рассмотренного в DS с точностью 0(е1/2), первого условия (1.5), рассмотренного с точностью 0(е1/2), и первого условия (1.10) получаем задачи для , I = 1, 2:

Э с - Э2 с п

Ю V'т1 _ Мт " -т1 В DSm,

Эу Эо

= 0 на 5т, —- 0 при о —► +<~.

Отсюда следует, что = 0.

Из второго уравнения (1.3), рассмотренного в Dу с точностью 0(е1/2), третьего условия (1.6), рассмотренного с точностью 0(е-1/2), четвертого условия (1.6), рассмотренного с точностью 0(е1/2), и

О ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ второго условия (1.10) получаем задачи для 21V^ (£т = х, ут):

1963

д i)

d ^(i)

d i)„ _i. д „(1)

Ю ^ Е1 ^ = ^" Е1 ^ В PVddZ Е1 ^ 1 ^ Е1 ^ = 0'

dZ

dZ

dZ)

2((1)V+ 21иV^ = 0 на 21, 2}иV£т — 0 при Ст — +~, где верхний знак берется при £т = х, а нижний - при £ = ут. Отсюда следует, что 2( 1) v£ = 0.

Из второго уравнения (1.3), рассмотренного в 02 с точностью 0(е1/2), третьего условия (1.7), рассмотренного с точностью 0(е-1/2), и третьего условия (1.10) получаем задачи для 2(2) V^ (£3 = х3, У3):

.(i).

d .^(2) д „(2) ю --Г- —1 V с = —- — vc

ду 1 сз дС2 1 с

- D— ,

з —2'

—(2) v^ = а2 X (-fr0 C( sin y -cos на —2, —(2) v^ —► 0 при Z3

д f20 'Сз = ^2 X -Щ

Отсюда находим, что

,(2) _ а X дf20 VC3 = а2X

exp (-а2 Z3) C [ sin (y - а2 Z3) - cos (y - а2 Z3)] •

Для того чтобы найти функции А2, В2, рассмотрим задачу для функций Фт2 и п2. Имеем

дФ

АФИ2 = 0 в Dm, —п

т 2

= S2V ma На Sm >

рдФ12 V ду ду

- (1- р)п2 = F[рK2(Фю) - K2(Ф20)] + (1- P^cos [2(у - 0)],

дФ.«2, юдП) _ дФ22 дФп _ — (1) — ( 1)

+ ю"ЗТТГ = - K2(П0), —^^-------2 vZ2- —2 vZj на —ъ

д z

ду

дФ

22

dz dz

v(2) v

= -2 VZ3- U2z на —2 •

dz

Представим ф.2 в виде

ф 2 = ф21) + ф(32)

m2 2 m2

где Ф(12) зависит от у по законам sin у, cos у, а Ф^ - по законам sin(3y), cos(3y). Учитывая, что д Фт2/ду = -Фт2, для Фт2 получаем задачу

(1) _ дФ.12) _

^Фт2 = 0 В Dт> (у» = S2Vma на Sm>

дФ)2)

дФ((2)

dz "Pif-Fю2(ф22)-рф(2)) =

2Q2 + Ccos (у -20)

Fю( f 20- рf 10),

m

-

2

1964 КРАВЦОВ

ЭФ22 ЭФ12 _ (1) (1) . эф22) „(2)

-эг—ЭЭ7 _ 2 v^2 у2 vна уъ —= у vг,-^ на у2.

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