Главная » Просмотр файлов » Darrigol O. Worlds of flow. A history of hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl

Darrigol O. Worlds of flow. A history of hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl (794382), страница 57

Файл №794382 Darrigol O. Worlds of flow. A history of hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl (Darrigol O. Worlds of flow. A history of hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl) 57 страницаDarrigol O. Worlds of flow. A history of hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl (794382) страница 572019-05-10СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 57)

1 36-7.INSTABILITY187Therein Stokes saw a symptom of instability:When the quantity of fluid carried with the cylinder becomes considerable comparedwith the quantity displaced, it would seem that the motion must become unstable, inthe sense in which the motion of a sphere rolling down the highest generating line ofan inclined cylinder may be said to be unstable.If the cylinder moved long enough in the same direction (as would be the case for thesuspending wire of a very slow pendulum) then 'the quantity of fluid carried by the wirewould be diminished, portions being continually left behind and forming eddies.' Stokesalso mentioned that in such an extreme case the quadratic term of the Navier-Stokesequation might no longer be negligible.

According to a much later study by Car! WilhelmOseen, this is the true key to the cylinder paradox. 75.1.3Ether dragAir and water were not the only imperfect fluid that Stokes had in mind. In 1 846 and 1848,he discussed the motion of the ether in reference to the aberration of stars. In his view theether behaved as a fluid for sufficiently slow motions, since the Earth and celestial bodieswere able to move through it without appreciable resistance. However, its fluidity couldonly be imperfect, since it behaved as a solid for the very rapid vibrations implied in thepropagation of light. Stokes explained the aberration of stars by combining these twoproperties in the following manner.8He first showed that the propagation of light remained rectilinear in a moving medium,the velocity of which derived from a potential.

Hence any motion of the ether that met thiscondition would be compatible with the observed aberration. Stokes then invokedLagrange's theorem, according to which the motion of a perfect liquid always meets thiscondition when it results from the motion of immersed solid bodies (starting from rest).For a nearly-spherical body like the Earth, Stokes believed the Lagrangian motion to beunstable (for it implies a diverging flow at the rear of the body). However, his ether was animperfect fluid, with tangential stresses that quickly dissipated any departure from gradi­ent flow: 'Any nascent irregularity of motion, any nascent deviation from the motion forwhich [v dr] is an exact differential, is carried off into space, with the velocity of light, bytransversal vibrations.

'9In the course of this discussion, Stokes noted that his solution of the (linearized) Navier­Stokes equation in the case of the uniformly-moving sphere did not depend on the value ofthe viscosity parameter and yet did not meet the gradient condition. Hence an arbitrarily­small viscous stress seemed sufficient to invalidate the gradient solution. Stokes regardedthis peculiar behavior as a further symptom of the instability of the gradient flow.In summary, in the 1 840s Stokes evoked instability as a way to reconcile the solutions ofEuler's equations with observed or desired properties of real fluids, including the ether.

Heregarded a divergence of the lines of flow (in the jet and sphere cases) and fluid inertia (inthe cylinder case) as a destabilizing factor, and imperfect fluidity (viscosity or jelly-likebehavior) as a stabilizing factor (explicitly in the ether case, and implicitly in the pendulum·7Stokes [1850b]pp.65-7. Cf. Lamb [1932]pp.609-17.8Stokes [1 846c], [1 848b]. Cf., e.g., Wilson [1987]9Stokes [1 848b]p.9.pp.132-45.WORLDS OF FLOW188bulb case). His intuition of unstable behavior derived from common observations of realflows and from the implicit assumption that ideal flow behavior should be the limit of realfluid behavior for vanishing viscosity.Stokes did not attempt a mathematical investigation of the stability of flow. He did offera few formal arguments, which today's physicist would judge faiiacious.

His deduction o fjet formation was based on an unwarranted assumption of uniform pressure i n thereceiving vessel. The steady flow around a cylinder, which he believed to be impossible,is in fact possible when the quadratic terms in the Navier-Stokes equation are no longerneglected. The argument based on the zero-viscosity limit of the flow around a sphere failsfor a similar reason. Stokes's contemporaries did not formulate such criticisms. Rather,they noted his less speculative achievements, namely, new solutions of the hydrodynamicequations that bore on the pendulum problem, and rigorous, elegant proofs of importanthydrodynamic theorems.5.2 Discontinuous flowIn Chapter4,we saw how Helmholtz made discontinuity surfaces a basic element ofperfect-liquid dynamics and derived the spiral growth of any bump on such a surface in1 868.This instability, to which Helmholtz attributed important physical consequencesincluding fluid mixing, wave formation, and meteorological perturbations, is now caiiedthe 'Kelvin-Helmholtz' instability, owing to its similarity with another instability studiedby Wiiiiam Thomson in1 871.Thomson's consideration i s related t o the strange episode recounted in Chapter 2, thatwhile slowly cruising on his personal yacht and fishing with a line, he observed a beautifulwave pattern and explained it by the combined action of gravity and capillarity.

In anatural extension of this theory, he took into account the effect of wind over the watersurface, and showed that the waves grew indefinitely when the wind velocity exceeded acertain, smaii limit that vanished with the surface tension. In other words, the plane watersurface is unstable for such velocities. The calculation proceeds as follows.10A solution of Euler's equation is sought for which the separating surface takes the planemonochromatic waveformy=7](x,t)=aei(kx-wt) ,(5. 1 )the x-axis being in the plane o f the undisturbed water surface, and the y-axis being normalto this plane and directed upwards.

Neglecting the compressibility of the two fluids, and'assuming irrotationality, their motions have harmonic velocity potentials cp and cp . Byanalogy with Poisson's wave problem, Thomson guessed the form<p=Ceky+i(kx-wt)(5.2)for the water, and10Thomson [187Ja], [187Jb], [187lc]. See Chapter 2, pp. 87-8. Some commentators, including Lamb ([1932]p. 449), have Thomson say that the plane surface is stable for lower velocities, which leads to an absurdly highthreshold for the production of waves (about twelve nautical miles per hour). Thomson did not and could not stateas much, since he only considered irrotational perturbations of perfect fluids.INSTABILITY''P1 89= VX + C'e-ky+i(kx-wt)(5.3)for the air, where v is the wind velocity.A first boundary condition at the separating surface is that a particle of water originallybelonging to this surface must retain this property.

Denoting byinates of this particle at timet, this givesx(t) and y(t) the coord­y(t) = 'Tl(x(t),t)at any(5.4)t, or, differentiating with respect to time,o<po<p O'T/O'T/oyoxot-= --+OXwheny = 'T/(x,t).(5.5)A similar condition must hold for the air. The third and last boundary condition is therelation between pressure difference, surface tension, and curvature. For simplicity, capil­larity is neglected in the following so that the pressure difference vanishes. The waterpressure P is related to the velocity potential 'P by the equationP1o<p+ 2 p(\1'P)2 + pgy + p Eft = constant,(5.6)obtained by the spatial integration of Euler's equation.

A similar relation holds for the air.Substituting the harmonic expressions for <p, <p1, and 'T/ into the boundary conditions andretaining only first-order terms (with respect toa, C, and C') leads to the relationsCk = -iaw, C'k = ia(w - kv)(5.7)p(ga - i Cw) = p'[ga - iC'(w - kv)] .(5.8)andEliminatinga, C, and C' givespw2 + p1(w - kv)2 = gk(p - p').w is negative ifg p2 - p'2V2 > .k pp'(5.9)The discriminant of this quadratic equation in---(5.1 0)Hence there are exponentially-diverging perturbations of the separation surface for anyvalue of the velocity v; and the water surface is unstable under any wind, no matter howsma11.

1 111To every growing mode there corresponds a decaying mode by taking the complex�conjugate solution of eqn(5.9). This seems incompatible with the growth derived in the vortex-sheet consideration of Chapter 4, pp. 1 61-2.In fact. it is not, because Thomsen's harmonic perturbations imply an initially heterogeneous distribution ofvorticity on the separating surface, whereas the vortex-sheet argument assumes an initially homogenous distribu­tion (to first order).

For Thomsen's decaying modes, the initial distribution has an excess of vorticity on the left­hand side of every positive arch of the sine-shaped surface, and a defect on the right-hand side.WORLDS OF FLOW190This conclusion only holds when capillarity is neglected. As Thomson showed, thesurface tension implies a wind-velocity threshold for the exponential growth of short­wave, irrotational perturbations. Thomson did not discuss the limiting case of equaldensities for the two fluids.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
11,39 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов учебной работы

Свежие статьи
Популярно сейчас
Почему делать на заказ в разы дороже, чем купить готовую учебную работу на СтудИзбе? Наши учебные работы продаются каждый год, тогда как большинство заказов выполняются с нуля. Найдите подходящий учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6458
Авторов
на СтудИзбе
305
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее