Главная » Просмотр файлов » R. von Mises - Mathematical theory of compressible fluid flow

R. von Mises - Mathematical theory of compressible fluid flow (798534), страница 62

Файл №798534 R. von Mises - Mathematical theory of compressible fluid flow (R. von Mises - Mathematical theory of compressible fluid flow) 62 страницаR. von Mises - Mathematical theory of compressible fluid flow (798534) страница 622019-09-19СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 62)

( 1 ) becomesor, substituting from ( 4 ' ) and simplifying, we obtain00 4Λ. -,)* + (.- £ i ,)+,) £ -0.I t is seen that the coefficient of dfy/d0 changes sign from positive to nega­tive as r increases through r .T o this last equation we apply the method of separation of variables,writing ψ(τ,θ) = Α (θ) Β (τ). Upon substitution one finds from well-knownconsiderations that A"/A must equal a constant.

If we put A"/A = — n ,we obtain, for η * 0, Α (θ) = Α (θ)= ae+ β β~= y sin (ηθ + δ ),with a , β or γ , δ as arbitrary constants. Following Chaplygin, we set2t2ηnηηnindηίηθnη41ηB(r)==UT)r*" / (r),2Bso that(6)φ(τ,θ)=ψ„(τ)4„(ί) =r %(rKa ennine+Λβ-'"·).* This notation is used by several authors. The Q(T) of (4') has nothing to do withthe angle Q(q) introduced in Art.

16.20.1 S E P A R A T I O N O F V A R I A B L E SThis gives for ψη(τ),(7)331and finally for / ( r ) , the equationsn~ '2and<?') r(l - ,)/." + [ ( » + 1) - ( „ - ^j)r]/i +- 0.Equation (7') is a hypergeometric equation(7")r(l~τ)/" +[cn-(α+Λ&„ +a &n/ =l)r]/' -0,ninvolving, however, only t w o parameters η and κ instead of the threeparameters in (7").A solution of ( 7 " ) regular for τ = 0 is given by the hypergeometric func­tion F(a , b , c ; r ) , whose T a y l o r expansion isnnn*Y„h*· ϊ -"V Γ(αη+ ^)Γ(6 +Γ ( α ) Γ ( ο ) v=or ( c + j>)r ( c}ηΛΛny)/j/!provided c is not a negative integer or zero.

Hence we obtain the follow­ing solution of ( 7 ) , called Chaplygin Function or Chaplygin solution:42nMr)= r F[anl2l;r],b ,n +nn(8)F(a ,6nn)n+l,r) -1 + ——T+21(λ+1)(w+2 )* +·"·Here η is arbitrary except that it must not be a negative integer. I t is easilyseen that this series converges out to the singularity at r = 1, i.e., for r ^ 1;F is therefore an analytic function of τ which tends to 1 as r —^ 0.* Solutionsof (7) corresponding to the exceptional values of η, \ η \ > 1, will not be ofthe form (8) (see Sec.

4 ) . For η = — 1 we see from (8) that either a or bvanishes; in this case F = 1 satisfies ( 7 ' ) , and ψ-ι(τ)= r~* is still of theform ( 8 ) . (See Sec. 3, and beginning of Sec. 4 ) .n* Near τ =1 the following expansion may be used in general:F ( o , 6 , C ; t ) = F(a,6,c;l) F(a,6,a ++nF(c-a,c -&-6,c;l)(l -T h i s formula is used in Sec. 5.c+1;1-t)τ)^ -ψ(οα-a,c -6,c +1 -a -b;l -τ).«332IV. P L A N E S T E A D Y P O T E N T I A LFLOWI t is well-known, and we mention it for later use, that the ordinary dif­ferential equation of second order ( 7 " ) has a second independent solution,T~ F(an— η, 1 — η ; τ )— n,bnnwith the a and b as in ( 8 ) .

A n y solution of the equation ( 7 ' ) is a linearnncombination of these t w o particular solutions.*B y use of the principle of superposition a solution of (5) more generalthan (6) is obtained in the formφ(τ,θ)Σ Mr)(η)= αθ +(a en+ineβ β' )Αϊη9ηwhere the a , β are arbitrary constants and ψ (τ) is given by ( 8 ) . T h e rangeηnηof η will have to be set in each case; also, when there are infinitely manyterms, the convergence must be investigated.

T o each term ψ(τ,0)where Α (θ)Α (θ)ψη(τ),ηstands for yηsin (ηθ +na potentialδ ),η=φ(τ,θ)corresponds by ( 4 ) , namely,φ(τ,θ)(60= <2(τ)φ 'ίΑ (θ)ηάθ = φ (τ)ίΑ (θ)ηηάθ.η2. Relation to incompressible flow solutionsW e now want to relate these results t o corresponding results for an in­compressible flow. T h e passage to the limit from compressible flow to in­compressible flow may be made by letting qm—> oo. From (2) and ( 3 ' ) it isseen that this corresponds for fixed q and 0 t o r —> 0 and to Μ —> 0. If in(1) we let Μ —> 0, we obtain(9)qq> ^?*dq ^ ΘΘ+2q A=0,dqd+2Ha Laplace equation in polar coordinates q, 0. T h e equation has the particularsolutions q en±tne(for any n ) , and also the solution (a +d log q),bd) (c +where a, 6, c, d are arbitrary constants. We want to find compressible flowsolutions that reduce to solutions of (9) as qm—>0 0.

Such solutions can bedefined in many ways. T h e following is the correspondence proposed byChaplygin. W e consider q enlim ^ F(a ,b ,cT0nnn±tndand use the above-mentione$ fact that; r ) = 1. W e introduce now a reference speed q , whichxwill be kept constant when we let qmtend towards infinity. W e may as­sume qi = 1 without loss of generality; if τ is the corresponding value of r,1* T w o independent solutions of (7) for η = 0 are 1 and flfi' dr.f We use here ψ(τ, θ) also for the sum of terms (6).

T h e notation φ {τ) = φ isreserved for a solution of (7).1ηη20.2namely, τR E L A T I O N TO INCOMPRESSIBLE FLOW SOLUTIONS= l/q ,2χmthen (q/qi)or q = τ/τ= τ/τ21lim333. Hence,ι= lim (-Y' = q",T2and±i'n0 Ψη\τ)1·hm e— —= e±ίηθ ηq .W e therefore decide to associate with each term q eoccurring in anincompressible flow solution the term [ ψ ( τ ) / ι / ' η ( τ ) ] 6which satisfies ( 5 ' ) ·I t is seen that in this correspondence the argument θ of q remains unchanged.If then the stream function of an incompressible flow is given in the formnη(10)φο =αθ +Σ1q (<* en+inen±lne± ι η ββηβ'^),(η)we associate with it the ''corresponding" compressible flowΨ = αθ +(11)Σ(π)τ4^(«neβ β- ).+ineίηθηψηΚΤΐ)Before continuing we collect for reference solutions of (4) which corre­spond to the previously mentioned solutions of ( 9 ) :(a) φο = ΑΘ,<p =-(b) φο = Β log q,φο =ΒΘφο =—C q(c)ψ0=0Cqnnsin (ηθ+δ ),ηlog qAncos (ηθn+δ );ηand correspondingly(a)ψ =φ= ΑΑθ,ίΡ"1drJTJL(b)ψ= ΒίQ'1(c) Ψ = C p£LsinnΦη(τ )±φ = Βθdr,(ηθ+δ ),ηφ= - ~ Q c o sη(ηθ + δ ),ηψη(τ±)where ψ (τ) is given in ( 8 ) .

Each of the last three solutions satisfies ( 4 ) .Solutions (a) and ( b ) , which correspond to η = 0, are the source (sink)solution and the vortex solution of Sec. 17.4 respectively.W e now complete the explanation of Chaplygin's method. Consider thetwo first-order equations obtained from E q . (16.31) in the limit of incom­pressible flow:η44334IV. P L A N E S T E A D Y P O T E N T I A L FLOWFrom these, considered as Cauchy-Riemann equations, it is seen that φο + ίψοis an analytic function of (log q — id), hence of qe~x9= f. Chap­= q — iqxylygin's method developed by him for the study of gaseous jets can then bedescribed as follows. Suppose that an incompressible flow problem has beensolved b y the method of the complex potential. W i t h ζ = χ + iy let w{z)be the complex potential, denote by dw/dz = f = qe~%eand call Wo(f) = w{z)= <po(q,6) +the complexvelocity,the hodograph potential.ιψο^,θ)transformation inverse to dw/dz = f (z), namely, ζ = ζ(ξ),Theexists providedthat f ' ( z ) 9^ 0.* N e x t , in the neighborhood of a stagnation point ξ = 0—pro­vided this is a regular point—expand Wo(f) into a T a y l o r series in ξ so thatφο = 4 Γ Σ(13)Cnf lLn=04 Γ Σ=nCnq e~nL*-0J4 denoting "imaginary p a r t " , and form the corresponding series(14).-*-"].tLn-0ψη{τΐ)JT h e series (14) is, within its region of convergence, the stream functiona compressible flow and reduces to (13) as qmof—> <x>.

Following Chaplygin wethen consider (14) as an (approximate) compressible flow solution of theproblem whose incompressible flow solution is given b y Wo = φο + ΐψο.W e have to keep in mind, however, that the solution (14) need not be thecorrect solution of the compressible flow problem. T h e fact that (14) re­duces to (13) as qm—>oo (and therefore in the limit of incompressible flowsatisfies both the differential equation and the given boundary conditions)does not imply that (14) satisfies these boundary conditions while q is finite.mT h e method, which as we shall see works without trouble in the case ofthe jet problem for which it was designed, meets great difficulties if appliedto other boundary-value problems.L e t us finally note that we are led to the same solutions ψ (τ)ηif (17.12)for the Legendre transform Φ, rather than the stream-function equation foiψ, is used.

W e then obtain an equation with the same cnbut an, bn instead of a , b , where a ' +n—n(nnnW= η +=η +1/(κ — 1), a 'bnn1,=— 1)/2(κ — 1). Hence the hypergeometric functions appear again,however with different dependence of an, W on the parameters η and κ.45* In general the function ζ(ξ) as an inverse function is not single-valued. In thecase of a multivalued solution z ( f ) , the hodograph potential w ( f ) will representonly one branch of the solution.t N o t e that for κ = — 1 this correspondence is not the same as that given inSec. 17.6.020.3 A F L O W W I T H I M B E D D E D S U P E R S O N I CREGION3353.

A flow with imbedded supersonic regionIn the remainder of this article we shall illustrate the above-explainedcorrespondence principle by several applications.W e have already reconsidered the source and sink flows. I n the presentsetup they correspond to η = 0. W e take next η = —I* and note thatEq. (70 is then satisfied by f = 1. Hence we obtain the solutionn(15)ψ(τ,θ)= Ar~hsin 0,<ρ(τ,θ) = At~\l-r)"cos 0,1 / u _ 1 )and, of course, a similar one with cos θ in ψ and sin 0 in φ.W e shall now study in some detail this simple exact solution, due to F.Ringleb, which will be found interesting from many aspects.

Using now qinstead of τ we consider for k real the hodograph solution [satisfying Eqs.46(16.31)]kψ = - sin 0,(16)kφ = — cos 0QPQwithwhere d(pq)/dq has been obtained from Eq. (8.5). W e find from E q . (17.25')dx _ k (cos 2Θdg ~ Ρ \qdy=fc /dq ~ p\cos θ\2a?q / 'zsin 2Θsin 2θ\2a q / '~q*2dx _sin 2Θ_kρθθq2dy _ k cos 2Θθθ ~ ~pq2'and, as may be verified by differentiation,(17)β-*Γ?«^ / *1β+L P<I«t pq A2qwhere the constants are chosen for reasons of symmetry.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
10,77 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
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
6418
Авторов
на СтудИзбе
307
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее