Автомодельное течение
1.08.2001 0:00 | "Физическая Энциклопедия"/Phys.Web.Ru
Автомодельное течение - течение жидкости (газа), которое остаётся механически подобным самому себе при изменении одного или нескольких параметров, определяющих это течение. В механически подобных явлениях наряду с пропорциональностью геометрических размеров соблюдается пропорциональность механических величин - скоростей, давлений, сил и т. д. (см. Подобия теория).
Автомодельное течение - частный случай течения жидкости (газа), когда общая задача гидроаэромеханики сводится к системе безразмерных обыкновенных дифференциальных уравнений и граничных условий, зависящих от одной надлежащим образом выбранной безразмерной независимой переменной. Благодаря этому задача расчёта течения упрощается, и удаётся получить её численное, а в ряде случаев и аналитическое решение.
Так, при обтекании бесконечного конуса
сверхзвуковым равномерным потоком идеального
газа (рис. 1)
нельзя
выделить характерный линейный размер, поэтому при растяжении или сжатии картины
течения относительно вершины конуса О в произвольное число раз картина не изменяется,
т.
е.
остаётся подобной самой себе. Все безразмерные характеристики течения - относительные
скорости, давления и т. д. зависят от одной независимой геометрической переменной
-
полярного
угла . Обтекание конуса описывается системой
из двух уравнений - с граничными условиями на поверхности конуса и на присоединённой
конической ударной
волне:
Здесь
- составляющие относительной скорости
в полярной системе координат
- отношение
удельных
теплоёмкостей.
Автомодельное течение в ламинарном
пограничном слое существуют лишь при некоторых специальных
законах изменения скорости U вне пограничного слоя, в частности
при постоянной скорости U=const (пограничный слой на продольно
обтекаемой бесконечной плоской
пластине). Т. к. в рассматриваемом течении нет какой-либо характерной длины,
то профили скорости v в автомодельном пограничном слое в различных
поперечных сечениях
x=const подобны друг другу и в безразмерных переменных представляются
универсальной функцией ,
где у
- расстояние по нормали к пластине,
- толщина пограничного слоя. Безразмерная функция тока
в автомодельном
пограничном слое удовлетворяет обыкновенному дифференциальному уравнению
с граничными условиями при
и
при
. Здесь
- некоторые
постоянные, a
- безразмерная автомодельная переменная,
пропорциональная
. Аналогичные автомодельные течения
возможны
и в пограничном слое, возникающем ири свободной (естественной) конвекции.
Автомодельное течение возникает и в основном участке турбулентной
свободной струи (рис. 2), вытекающей из
плоского
или круглого сопла
в неподвижную среду, т. к. в сходственных точках любых двух поперечных сечений
безразмерные величины скорости (температуры, концентрации)
одинаковы. Для нестационарных автомодельных течений
состояние течения в некоторый момент времени t, характеризуемое
распределением давлений, скоростей,
температур в пространстве, механически подобно состоянию течения при любом другом
значении t. Такие течения образуются, например, в случае сильного
взрыва,
а также при распространении в горючей смеси фронта пламени или детонации.
В случае сферической симметрии взрыв (поджигание смеси) происходит в точке,
в случае цилиндрической
симметрии - вдоль прямой, а в случае плоских
волн - вдоль плоскости. Если в момент t=0 мгновенно
выделяется конечная энергия
E0, а начальная плотность
газовой среды равна , то введение безразмерной автомодельной
переменной
(где r - расстояние от места взрыва,
- для сферических волн,
- для цилиндрических и \nu=1
- для плоских) позволяет свести задачу определения безразмерных давлений, скоростей,
температур за взрывной (ударной)
волной к решению системы
обыкновенных дифференциальных уравнений с автомодельными граничными условиями
на ударной волне.
В широком смысле под автомодельностью течения иногда понимают независимость безразмерных параметров, характеризующих течение, от критериев подобия. Так, коэффициент лобового аэродинамического сопротивления СX (см. Аэродинамические коэффициенты) можно считать автомодельным по Маха числу М или Рейнольдса числу Re, если в некотором диапазоне их изменения СX от них не зависит. Автомодельность коэффициента СX по М и Re существует для большинства тел, обтекаемых газом, при больших М (М>8) или достаточно больших Re (Re>107).
Публикации с ключевыми словами:
гидродинамика - автомодельное течение - автомодельность
Публикации со словами: гидродинамика - автомодельное течение - автомодельность |
![]() |
См. также:
|