научная статья по теме ВОЗНИКНОВЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВУМЕРНЫХ ТЕЧЕНИЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ДЛИННОВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЗНИКНОВЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВУМЕРНЫХ ТЕЧЕНИЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ДЛИННОВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ»

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <2 • 2008

УДК 532.516.013.4

© 2008 г. А. П. МЕЛЕХОВ, С. В. РЕВИНА

ВОЗНИКНОВЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРИ ПОТЕРЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВУМЕРНЫХ ТЕЧЕНИЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ДЛИННОВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Изучена длинноволновая асимптотика вторичного режима, возникающего при потере устойчивости стационарного пространственно-периодического течения, когда один из периодов стремится к бесконечности (волновое число стремится к нулю), а поток основного течения вдоль длинного периода равен нулю. Показано, что если выполняются некоторые условия невырожденности, то при уменьшении вязкости от основного решения ответвляется автоколебательный режим, причем возможна как мягкая, так и жесткая потеря устойчивости. Для главных членов асимптотики получены явные формулы. Приведены примеры расчета автоколебаний для конкретных течений, исследовано поведение траекторий движения частиц жидкости в автоколебательном режиме, ответвляющемся от основного течения.

Ключевые слова: вязкая жидкость, потеря устойчивости, автоколебание, длинноволновая асимптотика, траектории частиц жидкости.

Длинноволновая асимптотика задачи устойчивости двумерных параллельных течений V = (0, У2(х)) получена в [1]. Показано, что если среднее значение продольной компоненты скорости отлично от нуля: (У2) Ф 0, то происходит колебательная потеря устойчивости, а если У2(х) - нечетная функция, то монотонная. Исследованию автоколебаний, возникающих при потере устойчивости параллельных течений относительно длинноволновых возмущений, посвящена [2]. Линейная задача устойчивости трехмерных стационарных течений вида V = (аУ1, У2, У3) рассмотрена в [3]. Установлено, что если (У3) Ф 0, то при уменьшении вязкости происходит колебательная потеря устойчивости. Исследованию ответвляющихся при этом автоколебаний посвящена [4]. В [4] изучалось также движение частиц жидкости (пассивной примеси) во вторичных автоколебательных потоках. В численных экспериментах обнаружены как регулярные, так и хаотические траектории движения частиц. В [5] было продолжено исследование движений частиц во вторичном автоколебательном потоке в случае (У2) Ф 0.

Настоящая работа посвящена отысканию асимптотики автоколебаний, ответвляющихся от двумерных стационарных пространственно-периодических течений (I) вида

V = (аУ!(у), У2(х)), <У2) = 0

при малых а, когда вязкость переходит критическое значение, найденное в [6]. Полученные результаты сравниваются со случаем основного течения (II) со скоростью

V = (аУ!(х, у), У2(х, у)), <У2) Ф 0

рассмотренного в [7]. Подробный вывод приведенных в статье формул изложен в [8, 9]. Применяется метод Ляпунова-Шмидта в форме, развитой в [10, 11], в сочетании с асимптотикой длинных волн.

1. Постановка задачи. Рассматривается движение вязкой несжимаемой жидкости на плоскости (х, у) е Я2 под действием поля внешних сил Р(х, у, ¿), периодического по про-

странственным переменным х и у с периодами Ьх и Ь2 соответственно. Поле скоростей и и давление р удовлетворяют системе уравнений Навье-Стокса и условию несжимаемости

+ (и, V)и - vДu = - Ур + F, Шуи = 0 (1.1)

д г

где V - безразмерная вязкость.

В качестве краевых условий задается условие периодичности поля скорости и по пространственным переменным х, у

и(х + ¿1, у, г) = и(х, у, г), и(х, у + ¿2, г) = и(х, у, г) (1.2)

Предполагается также, что один из пространственных периодов стремится к бесконечности: ¿2 = 2п/а, а ^ 0.

Всюду в дальнейшем через (/) будем обозначать среднее по переменной х, а через ((/)) - среднее по прямоугольнику периодов

¿1

(/) = 1/(х, у^х, ((/)) = -О|/(х, у)йхйу, О = [0, ¿1 ] X [0, ¿2]

10 О

Среднее значение скорости и по прямоугольнику периодов считается заданным

((и)) = Ч (1.3)

Предположим, что система (1.1)—(1.3) имеет стационарное пространственно-периодическое решение вида I. Если F = (0, v/(x)), q = (0, q), единственное стационарное параллельное течение V = (0, и(х)) определяется как решение задачи: -и" = /(х) - (/), (и) = q. К классу таких движений относится течение Колмогорова [12].

2. Линейная спектральная задача. Для нормальных возмущений и = ф(х, г)еог, Р = р(х, г)еог основного течения I получается задача

2 йУ1 Эф1 Эф1

°Ф1 + а ф2"^ + аУ1(г)"эх" + аУ2(х)"

- V

22 д Ф1 2 Э Ф1

-_Г + а -Г

д х дг

= -д-Р

дх

(2.1)

йУ2 Эф2 Эф2

°ф2 + ф1^х" + аУ 1(г) 157 + ау2(х) ъ-

- V

22 1_ф2 + а2 С-__ф2

д х2 дг2

д р

-а------

дг

(2.2)

дфх1 + а^ф = 0, ((ф,)) = 0, I = 1, 2 (2.3)

ф,(х + ¿1, г) = ф,(х, г), ф,(х, г + 2п) = ф,(х, г) (2.4)

Здесь г = ау.

Критическим назовем такое значение вязкости V,., при котором одно или несколько собственных значений о выходят на мнимую ось. Собственные функции (ф, р), а

также V, и о будем разыскивать в виде рядов по степеням параметра а

^ ^ ^ ^

X""1 к к х™1 к х™1 к ^ х™1 к

Ф = ф , р = рк, о = Хаок, V = V * +

к = 0 к = 0 к = 1 к = 1

Приравняв в (2.1)-(2.4) выражения при а0, приходим к уравнениям для нахождения

0 0 Ф1 и Ф2

oq Ф1- v'

о = Jp

д х дх

дх (2.5)

^-0. <<ф1)) = 0 д2Ф0

Ос Ф° + Ф° У 2( х) - V * = 0, <<ф2)) = 0 (2.6)

дх

Так же, как и в случае основного течения II [3, 6], из (2.5) вытекает, что о0 = 0, ф1 = ф1 (г), р0 = Ро(г), а из (2.6) выводим, что ф2 имеет вид

Ф°(х г) = V1*Ф°(г)0'(х)

где 0(х) решение задачи: 0''(х) = У2(х), <0) = 0.

Теперь приравняем в (2.1)-(2.4) выражения при а1

д2 ф1 О —Ф0 д р,

^^ = 01 Ф?( 2) + У2 (х) ^ + (2'7)

0 1 —У2 дф2 дф0 д2ф2 д2 ф0 —р0

О Ф0 + ф1^+ У1 < г ) У 2( х> V ^ = (ЗД

^ + ^ = «*■» = 0

(2.9)

Условие разрешимости уравнения (2.7) - равенство нулю среднего правой части по переменной х

— О

01 Ф0( г) + < У2) -ф = 0 (2.10)

Для основного течения II из (2.10) были найдены [3, 6]: = 1ш<У2), ф1 (г) = е~'тг, где т - волновое число. Если же <У2) = 0, то О! = 0, а ф° (г) из (2.10) не определяется.

Из (2.7)-(2.9) находим ф1, ф^

0

К л 1 / 1\

Ф1 (х> г) = 0(х) + <Ф1)

— 0

Ф1 (х, г) = О (х) + -12 фО (г) У 1( г )0( х) + -* <ф1)0'( х) -V* ф0

V * —г V * V V

где О(х) - решение задачи

О'(х) = 0'2 - 00''-2<0'2), <О) = 0 (2.11)

Далее, осреднив (2.1) по переменной x и приравняв коэффициенты при а2, приходим к уравнению

d 2 О

ФО(г) + Í-* <9'2) - V-Ç = О (2.12)

vv J dz

Из (2.12) следует, что о2 = 0, а для нулевого члена разложения критической вязкости

получаем то же выражение, что и в случае (V2) Ф 0: V*2 = (9'2); ф1 (z) по-прежнему остается произвольной 2п-периодической функцией с нулевым средним.

2 2 2

Приравняв в (2.1)-(2.4) коэффициенты при а2, находим ф1 и ф2, выражения которых приводятся в [8].

На следующем шаге, из осредненного уравнения (2.1) при а3 выводим

,3 О ,2 О

О 3 d ф1 2 d ф1

Озф°(z) -Дт-у <ее'2) -2Vi—-2 = О (2.13)

V* dz dz

Если (ее'2) = 0, то уравнение (2.13) упрощается

О d ф1

ОзФ°(z) -2Vi—-у = О (2.14)

dz

Тогда V! = 0, о3 = 0, ф° (z) из уравнения (2.14) не определяется. Пример основного течения, для которого (ее'2) = 0, - течение I с

е(x) = a sin(x) + b sin(2x) (2.15)

Заметим, что и для любой нечетной функции е(т) среднее (ее'2) = 0. Если же (ее'2) Ф 0, то решение уравнения (2.13) выражается формулой: ф1 (z) = e-mz, где m - волновое число

3 ' 3

v1 = о, о3 = (ее'2)

V *2

Таким образом, имеет место колебательная потеря устойчивости. Например, если

3

е^) = asin(x) + bcos(x) + csin(2x), то (ее'2) = ^ abc, o3 = 9im3abc/(a2 + b2 + 4c2). Условие разрешимости уравнения (2.1) при а4 имеет вид

j3 / 1Ч ,4 О

/К 3 d (ф1^ о, , 1 d ф1/ОГ1,ч

Оз(ф1) —2——(ее ) = -О4ф^) + ——J-(еQ)-

V * dz V * dz

3 d ф1

3 О 3 2 О

(е2) + -L<L (ф1 V1 )(е S) + -Ц-^ (d-P V Л(е G) + (2.16)

dz" v*3dz v*3dz ^ dz }

2 ,2 О

1 d О 2 2 d ф1

+ -з-2(ф1и1 )(е ) + 2v2-2

v* dz dz

где G определена в (2.11), Q, S выражаются явно [8].

В случае (00'2) = 0 левая часть уравнения (2.16) равна нулю, и для нахождения (г) приходим вообще говоря, к уравнению с переменными коэффициентами. В частном случае V1 = const коэффициенты уравнения постоянны, тогда ф0 (г) = е-тг

V2 = -Ц[«0Q) -3V*2<02))m2- V2<02)] 2 v *3

. v (2.17) im V,

04 = -^ <0( S4 G))

V*3

Следовательно, при условии <0(S' + G)) Ф 0 имеет место колебательная потеря устойчивости.

Для примера (2.15) при V1 = 1

= л ( т2 (610 a2 b 2 + 27 a 4 + 108 b 4) + 1 (a 2 + b2 ) )

V2 2 2 3/2 36(a +4b )

9im3 a2bJ2. Oa =---

4 (a2 + 4b2 )3/2

Если же <00 ) Ф 0, то (2.16) имеет вид

з, 1 —3 <Ф1)

т<ф1) -—--3^ = /(г) (2.18)

—г

причем в выражение /(г) входят известные функции и неизвестные константы V2, о4. Условие разрешимости уравнения (2.18) - ортогональность правой части решению однородного сопряженного уравнения

2 п

| / (г) етг—г = 0 (2.19)

0

Приравняв к нулю вещественную и мнимую части в (2.19), находим v2 и о4. Они име-

22

ют вид (2.17), если в этих формулах заменить У1 на «У^), а У1 на << У1)). В (2.18) положим <ф1) = с(г)е~'тг, тогда с(г) - решение уравнения

г

и , 1 Гг Л1(г-я) Л2(г-«^ ... V Кг

с( г) = ----¡-|[ е - е ] / (я) —я + ае + Ье

Л] - Ао-'

1 20

. 2п Л1(2п-5) . 2п Х2(2п -5)

а = ЛЛТЗЛ: 1'' л 1 2п - /(я) , Ь = Л—Л-1 е 2п - /(я) (2.20)

л2 Л10 е -1 Л1 л2 0 е 2 -1

Л1,2 = т (^^з+з I)

3. Асимптотика автоколебаний. Нелинейная добавка w. Для нахождения асимптотики вторичного течения применяется метод Ляпунова-Шмидта, развитый в [10, 11], в сочетании с разложением по малому параметру а.

Через е2 обозначим надкритичность: е2 = V, - V. Возмущения скорости и и давления р, а также частоту автоколебаний ю будем разыскивать в виде рядов по степеням е

и(х, г, т) = £ екЫк(х, г, т), р(х, г, т) = £ екрк(х, г, т), ю = £ г

Юк

к=1

к=1

к=0

т = юг

Тогда и = п(фе'т + ф е~'т). Первые члены разложения в ряд по а собственной функции ф(х, г) и собственного значения о = гю0 найдены в предыдущем разделе. Возмущение скорости при е2 имеет вид

2/ 2,т — -2, тч

и2 = п (м + и е + и е ) где вектор-функция м = (^, ^2) удовлетворяет уравнениям

2 dV1 д д

а + аV1(г)_зх + аV2(х)_дТ-

22 д w1 2 д w1 +а

д х

2

Эг

2

Эф1

Эф1 _ Эф1 _ Эф1 Эд

- ф1 эх-аф2_э7" ф1_Эх" аф2"эг- эх

dV2 Эw2 Эw2

^¿Г а V1(г) эГ + а V 2( х) 1Г- ^

22 д w9 2 д w2 + а —-

д х

2

дг

Эф2 Эф2 _ Эф2 _ Эф2 Эд

= - ф1_эх"- аф2_эг" ф1_эх- аф2-эг-а д_

д w

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