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:
|