О точных нестационарных решениях уравнений вибрационной конвекции

Автор: Брацун Дмитрий Анатольевич, Вяткин Владимир Александрович, Мухаматуллин Айназ Радикович

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 4 т.10, 2017 года.

Бесплатный доступ

В работе рассматривается класс точных нестационарных решений уравнений конвекции, записанных в приближении Буссинеска-Обербека. На их основе моделируется движение неоднородной жидкости в сосуде, совершающем периодические линейные колебания (вибрации) конечной частоты. Под неоднородностью среды понимается существование в ней градиента плотности, который может возникать вследствие различных внешних или внутренних причин. Важным условием для получения точного решения в замкнутой форме является соблюдение ортогональности этого градиента к направлению вибраций в любой момент времени. Показано, что при выполнении этого условия существует класс точных решений, которые отвечают ламинарному течению жидкости. При этом в поперечном по отношению к нему направлении функция скорости может иметь сложную зависимость от координат, определяемую характером неоднородности плотности. В конечном итоге физическим механизмом, приводящим жидкость в движение, является неодинаковое воздействие переменного инерционного поля на ламинарные слои с различной плотностью. В качестве примеров рассмотрены решения следующих задач термо- и хемовибрационной конвекции: течение вязкой жидкости в плоском слое, подогреваемом сбоку и совершающем продольные периодические гармонические вибрации; течение вязкой тепловыделяющей жидкости в плоском слое под действием вибраций, направленных вдоль слоя; течение вязкой жидкости в слое, на границе которого задан постоянный градиент реагирующего вещества и протекает химическая реакция первого порядка, а сам слой периодически колеблется в продольном направлении; течение вязкой тепловыделяющей жидкости, заполняющей цилиндрический сосуд, который совершает периодические движения в направлении оси симметрии. В каждом из перечисленных случаев получены аналитические выражения для скорости жидкости, давления, температуры и концентрации реагента. Обсуждается общая процедура нахождения точных выражений для данного класса решений.

Еще

Точные решения уравнений конвекции, вибрации конечной частоты, термовибрационная конвекция, хемоконвекция

Короткий адрес: https://sciup.org/143163480

IDR: 143163480   |   УДК: 532.5   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.4.35

On exact nonstationary solutions of equations of vibrational convection

In this paper, we consider a class of exact non-stationary solutions of the Boussinesq equations, which describe the motion of an inhomogeneous fluid in a vessel performing periodic linear vibrations of a finite frequency. The inhomogeneity of the medium implies the existence of the density gradient, which can occur due to different factors (external or internal). An important condition for obtaining an exact solution in the closed form is the orthogonality of the density gradient and the direction of vibrations, which should be maintained at any time moment during the vibration period. If this condition is fulfilled, then there exists a class of exact unsteady solutions describing the laminar flow of fluid in the direction of vibrations. In this case, the velocity profile can have a complicated dependence on the coordinates, which are transverse to the fluid motion. This functional dependence is determined by the character of the density inhomogeneity. Finally, the inertial field, varying in time, differently affects the laminar layers of various densities and defines the main physical mechanism of the fluid flow. The final result of the calculations also depends essentially on the return flow condition. As examples, the following problems of thermo- and chemovibrational convection have been considered: the flow of a viscous fluid in a plane layer heated from the side and performing periodic harmonic vibrations along the layer; the flow of a viscous heat-generating fluid in a plane layer under the action of periodic vibrations directed along the layer; the flow of a viscous fluid in a plane layer at the boundary of which a constant gradient of the reactant is assigned, the chemical reaction of the first order occurs, and the layer itself performs longitudinal periodic vibrations; the flow of a viscous heat-generating fluid filling a cylindrical channel that performs periodic oscillations in the axis direction. In each case, we present analytical expressions for fluid velocity, pressure, temperature, and reagent concentration. A general procedure for finding exact expressions for a given class of solutions is discussed.

Еще

Список литературы О точных нестационарных решениях уравнений вибрационной конвекции

  • Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. -М.: Наука, 1978. -736 с.
  • Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. -М.: Наука, 1972. -392 с.
  • Гершуни Г.З. Об устойчивости плоского конвективного движения жидкости//ЖТФ. -1953. -Т. 3, № 10. -С. 1838-1844.
  • Batchelor G.K. Heat transfer by free convection across a closed cavity between vertical boundaries at different temperatures//Quart. Appl. Math. -1954. -Vol. 12, no. 3. -P. 209-233.
  • Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений. -М.: Наука, 1989. -320 с.
  • Бирих Р.В. О термокапиллярной конвекции в горизонтальном слое жидкости//ПМТФ. -1966. -№ 3. -С. 69-72.
  • Андреев В.К., Бекежанова В.Б. Устойчивость неизотермических жидкостей (обзор)//ПМТФ. -2013. -Т. 54, № 2. -С. 3-20.
  • Пухначев В.В. Теоретико-групповая природа решения Бириха и его обобщения//Симметрия и дифференциальные уравнения: Tруды II Международной конференции, Красноярск, 21-25 августа 2000 г. -Красноярск, 2000.
  • Катков В.Л. Точные решения некоторых задач конвекции//ПММ. -1968. -Т. 32, № 3. -С. 11-18.
  • Андреев В.К. Решение Бириха уравнений конвекции и некоторые его обобщения: Препринт №1-10/ИВМ СО РАН. -Красноярск, 2010. -68 с.
  • Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. -Москва-Ленинград: Гостехиздат, 1952. -256 с.
  • Овсянников Л.В. Групповой анализ дифференциальных уравнений. -М.: Наука, 1978. -400 с.
  • Овсянников Л.В. Групповые свойства уравнений нелинейной теплопроводности//ДАН. -1959. -Т. 125, № 3. -С. 492-495.
  • Андреев В.К., Капцов О.В., Пухначев В.В., Родионов А.А. Применение теоретико-групповых методов в гидродинамике. -Новосибирск: Наука, 1994. -320 с.
  • Андреев В.К., Рыжков И.И. Групповая классификация и точные решения уравнений термодиффузии//Дифференц. уравнения. -2005. -Т. 41, № 4. -С. 508-517.
  • Аристов С.Н., Просвиряков Е.Ю. Новый класс точных решений уравнений термодиффузии//ТОХТ. -2016. -Т. 50, № 3. -С. 294-301.
  • Гончарова О.Н. Точные решения линеаризованных уравнений слабосжимаемой жидкости//ПМТФ. -2005. -Т. 46, № 2. -С. 52-63.
  • Аристов С.Н., Шварц К.Г. Вихревые течения адвективной природы во вращающемся слое жидкости. -Пермь: Изд-во ПГУ, 2006. -154 с.
  • Громека И.С. К теории движения жидкости в узких цилиндрических трубках//Учен. зап. Казан. ун-та. Отд. физ.-мат. наук. -1882. -Кн. I. -C. 41-72.
  • Гершуни Г.З., Келлер И.О., Смородин Б.Л. О вибрационно-конвективной неустойчивости в невесомости плоского горизонтального слоя жидкости при конечных частотах вибрации//МЖГ. -1996. -№ 5. -с. 44-51.
  • Pesch W., Palaniappan D., Tao J., Busse F.H. Convection in heated fluid layers subjected to time-periodic horizontal accelerations//J. Fluid Mech. -2008. -Vol. 596. -P. 313-332.
  • Smorodin B.L., Myznikova B.I., Keller I.O. Asymptotic laws of thermovibrational convection in a horizontal fluid layer//Microgravity Sci. Technol. -2017. -Vol. 29, no. 1-2. -P. 19-28.
  • Bratsun D.A., Teplov V.S. On the stability of the pulsed convective flow with small heavy particles//Eur. Phys. J. A. -2000. -Vol. 10. -P. 219-230.
  • Bratsun D.A.,Teplov V.S. Parametric excitation of a secondary flow in a vertical layer of a fluid in the presence of small solid particles//J.Appl.Mech.Techn.Phys. -2001. -Vol.42, No.1. -P.42-48.
  • Bratsun D.A. Effect of unsteady forces on the stability of non-isothermal particulate flow under finite-frequency vibrations//Microgravity Sci. Technol. -2009. -Vol. 21, no. 1. -P. 153-158.
  • Пухначев В.В. Нестационарные аналоги решения Бириха//Известия АлтГУ. -2011. -№ 1-2. -С. 62-69.
  • Пухначев В.В. Точные решения уравнений гидродинамики, построенные на основе частично инвариантных//ПМТФ. -2003. -Т. 44, № 3. -С. 18-25.
  • Аристов С.Н., Просвиряков Е.Ю., Спевак Л.Ф. Нестационарная слоистая тепловая и концентрационная конвекция Марангони вязкой несжимаемой жидкости//Вычисл. мех. сплош. сред. -2015. -Т. 8, № 4. -С. 445-455.
  • Андреев С.Н., Гапоненко Ю.А., Гончарова О.Н., Пухначев В.В. Современные математические модели конвекции. -М.: Физматлит, 2008. -368 с.
  • Зюзгин А.В., Путин Г.Ф. Устойчивость подъемно-опускного течения в вертикальном слое жидкости под воздействием высокочастотных вибраций//Вибрационные эффекты в гидродинамике. -Пермь: ПГУ, 1998. -Вып. 1. -C. 130-141.
Еще