Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS87_t25_z1_4_PDF_artykuly\02mts87_t25_zeszyt_3.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I STOSOWANA 3, 25, (1987) ISTN IEN IE CAŁ KI EN ERG II W WYBRANYCH OBSZARACH OPŁ YWU PROF ILU CIECZĄ D OSKON AŁ Ą M . J . ClAŁ KOWSKI Politechnika Poznań ska Autor skł ada podzię kowania Pani Dr. M. E. Klonowskiej- Prosnak za dyskusję nad niniejszą pracą . Oznaczenia: z — zmienna zespolona w pł aszczyź nie fizycznej ~z — zmienna zespolona sprzę ż ona do zmiennej zespolonej z f — zmienna zespolona w pł aszczyź nie pomocniczej a — promień walca opł ywanego w— potencjał zespolony opł ywu profilu w pł aszczyź nie fizycznej W —potencjał zespolony opł ywu walca w pł aszczyź nie pomocniczej v x — prę dkość zespolona przepł ywu jednostajnego w nieskoń czonoś ci F— cyrkulacja 0 — funkcja potencjał u pię dkoś ci W —funkcja potencjał u prą du R e( z) — czę ść rzeczywista liczby zespolonej z Im(z)—• czę ść urojona liczby zespolonej z Q — obszar opł ywu profilu 8£2— brzeg obszaru Q Q' — obszar opł ywu walca (w pł aszczyź nie pomocniczej) 8Q' — brzeg obszaru Q' 1. Wstęp • = . ' . • • ' . • • ; ! ' • ; « > ? • ' • • < , ' - . W wielu zagadnieniach przepł ywowych uż ywa się do opisu ruchu pł ynu rachunku wariacyjnego. Prowadzi to do uję cia ruchu pł ynu w kategoriach energii [3]. Obszar, w którym poszukuje się rozwią zania może być nieskoń czony a ponadto profil może posia- 388 M . J. CiAUtowsKr dać ostrze. W tych przypadkach należy zbadać zachowanie się pierwszej wariacji funkcjo- nał u w otoczeniu ostrza oraz w obszarze nieskoń czonym. Badanie to wynika z nastę pu- ją cych faktów — dla cieczy doskonał ej przy opł ywie ostrza prę dkość staje się w otoczeniu ostrza nieskoń czenie duża [1, 2] —• przy opł ywie pojedynczego profilu cał kowita energia kinetyczna w obszarze opływu jest nieskoń czona [1, s. 52] D rugi fakt skł ania do wydzielenia z cał ej pł aszczyzny fizycznej tej czę ś ci obszaru, w którym cał ka z energii kinetycznej bę dzie skoń czona. Ruch cieczy doskonał ej opisany jest równaniem Laplace'a [2, 5]. Jeś li przyjmiemy, że na brzegu obszaru skł adowa nor- malna prę dkoś ci jest daną funkcją p to opis ten jest równoważ ny poszukiwaniu funkcji potencjał u prę dkoś ci 0, który nadaje minimum nastę pują cemu funkcjonał owi [3] J(0) = JL f V&V&dxdy- i 0- p(s)ds; 0 e C ^ n C ' f d . Q ) . (1) A a aa Minimalizacja funkcjonał u (1) prowadzi do minimalizacji cał ki (— / pdQ) dla zadanych a warunków brzegowych (jest to zasada Batemana [4]). Ze wzglę du na to, że wymiar wyra- ż enia (1) jest [J/ kg], funkcjonał (1) bywa również nazywany funkcjonał em energii. D o zależ noś ci (1) moż emy wprowadzić potencjał zespolony w(z) opł ywu profilu, wówczas: J(w) - 4- i $L J»ttxdy- f Re[wOO] • p(s) • * . (2) 2 i dz dz sii Z e wzglę du na równość energii kinetycznych w odpowiadają cych sobie obszarach w pł asz- czyź nie fizycznej i pomocniczej [1, s. 66] do badania zachowania się funkcjonał u (2) wygodniej bę dzie przejść do pł aszczyzny pomocniczej, w której znana jest postać poten- cjał u zespolonego W (C) cyrkulacyjnego opł ywu walca [2], Przy rozwią zywaniu zagadnienia opł ywu pł ynem ś ciś liwym jako pierwsze przybliż enie przyjmuje się rozwią zanie zagadnienia opł ywu cieczą doskonał ą (równania róż niczkowe rzą dzą ce przepł ywem pł ynu ś ciś liwego są nieliniowe [2] a pierwsza wariacja funkcjonał u energii nie jest funkcjonał em liniowym). D latego zbadanie istnienia I wariacji funkcjonał u (1) jest zagadnieniem podstawowym. Zagadnienie istnienia I wariacji funkcjonał u (1) przedstawiono na przykł adzie profilu o ką cie ostrza ó = 0 (profil Ż ukowskiego) oraz profilu o ką cie ostrza <5 > 0 (profil Karmana- Trefftza). 2. Badanie istnienia cał ki (2) w punkcie osobliwym profilu o jednej stycznej D la zobrazowania zagadnienia zajmiemy się profilami uzyskanymi z odwzorowania zewnę trza koł a za pomocą funkcji Ż ukowskiego [2] CAŁ KA ENERGII W OPŁ YWIE PROFILU 389 * - C + y; \ t\ > a, (3) d la k t ó r e j fu n k c ja o d w r o t n a je st p o s t a c i : C = - 7r(z+ l / z 2 —4 a 2 ) : Izl > 2 a , C4> o r a z rfC 1 2+ ]/ z2- 4«2 dz 2 ]/ z 2 - 4a? Zatem: dw dW L (5) d£ _£ _ 1 p, dz' r j _ W r o « 2 \ / „ r i - w- oo« 2\ JC ^z dz " gdzie funkcja/ (^(z)) jest rzeczywista i ograniczona w obszarze Q. N atomiast funkcja g(z) jest okreś lona wzorem: , • - —- ^ 1 z + i/ z2~4a2 Iz+ Vz2- 4a2 ~ dz dz " T yz 2- 4ai '' \ |/ ?3 - 4«2 1 zz+z- ]/ z2- 4a2 + {z \ / z2- 4ai)+ )/ z2- 4a2 ^ z2- 4a — , " • • • ( , / J 4 ]/ z 2 - 4a 2 y / z 2 - 4a 2 i jest funkcją rzeczywistą. Licznik funkcji g(z) jest funkcją ograniczoną w obszarze ogra- niczonym, gdyż |z2+ z ]/ z2 - 4a2 + z j/ z 2 - 4a2 + max z-z + z ]/ z 2 - 4 a 2 + z ]/ z2 - 4az + ]/ z2 - 4a2 \ / zr~ 4a2\ = A ; Funkcja g(z) posiada osobliwość w punkcie (x,y) = (2«, 0). Zbadajmy teraz istnienie cał ki (2) w obszarze Q e (rys. 1) zawierają cym punkt osobliwy (x, y) = (2a, 0). Zatem CtW UW Y 1 { n/ x., \ \ , r \ T 7 ^'/ l- / S \ . __ ̂ \ T /n\ 390 M . J . ClALKOWSKI gdzie: / , = _ _ dx- dy (9) gi (z) = ~\ zz + z\ / z2- 4a2 + (z j/ z2 - 4a2) + j/ z2' - 4a2 \ lz2 - 4a 2], max \ gi(z)\ = - cA. Zagadnienie istnienia cał ki I t sprowadziliś my do badania istnienia cał ki I 2 . Dalsze roz- Rys. 1. waż ania wygodniej bę dzie przeprowadzić w lokalnym ukł adzie współ rzę dnych o począ tku w punkcie osobliwym (rys. 1), wtedy: A = {(*>)')'- x = 2a+Q • cosy, y = Q- sinq>, 0 < Q < e, O ^ ^ 1 ^ ^ ,
U + J / |/ i - ż t2 si n 2 ^ ~ J 1+ p U + J J / l/ l — fc2si0 jft 2 o 5 0 ]/ 1 - kh'm2® 4 8 CAŁ KA ENERGII W OPŁ YWIE PROFILU 391 gdzie funkcje FU^ - , k\ , F(n, k), W - y, kj są cał kami eliptycznymi I rodzaju [6]. D la k 2 < 1 cał ki eliptyczne I rodzaju posiadają wartość skoń czoną. Ponieważ F{T C, k) = = 2F(n/ 2, k) oraz —• ̂ ~- < —, stąd 0 <
= n. P unkt o współ rzę dnych:
x = 2a+QCoscp/
(4
.
a
,
n)
= - 2 a,
y = Q • sin95/ (4a>n) = 0,
jest drugim punktem osobliwym profilu. Punkt (x, y) = ( - 2a, 0) leży we wnę trzu profilu
( 1,
dla której funkcja odwrotna jest postaci:
(z+mć )
m
- {z- mc)
m
oraz:
d£ 4c^ h(z)
1dź !_1 J. 7Tj:
( 2 2 - m V) ' " [ ( 2 + m C ) " ' - ( z - mC ) ' " ]
J ( z
2 - m2 c 2 ) m
CAŁ KA ENERGII W OPŁ YWIE PROFILU 3 9 3
gdzie funkcja h(z) jest ró wn a:
h{z) =
Ac
2
i jest funkcją ogran iczon ą n a zewną trz profilu.
Z atem analogicznie d o (6) m am y:
dw dw
dz dz
gdzie funkcja q(z) jest rzeczywista
h(z) • h(z)
dz dz ) " ° f- ( 1- J t2sin 2# )
Cał ki wewnę trzne moż emy przekształ cić nastę pują co:
2 M 2 7C 2 2 2 "2
o o o o o o
wi ę c:
'iiiuc — - l T ~2~ ~~2
(2mc)
m "
Ponieważ cp
2
^ f^ oraz funkcja podcał kowa jest dodatnia, przeto:
a stą d:
ZX'J
2 —
2mc —- i 2
2- " J J ' ! '
(2mc) "' °
P aram etr w okreś la ką t 8 w ostrzu, <5 = (2—ni) • n, speł nia wię c nierówność 1 < m < 2
oraz n a mocy monotonicznoś ci funkcji podcał kowej mamy:
1
CAŁKA ENERG II W OPŁYWIE PROF ILU 395
~2mc — - 1
(2mc)
m
2^
2
4 • m a x « • / * A - ? p
S F{2- k) • f
\ t \ 2 ' I C ) J
2 - — « \ * / J 1 — —
'" M p « °
2 s \ • *>
(2mC)
2 - m |\ 2wc
max F j —,
0 < m < 2
Pokazaliś my wię c, że również dla profilu o dwóch stycznych w ostrzu cał ka (2) jest ogra-
niczona. D la m = 2 wynik (16) jest identyczny z (9b), gdyż profil Karmana- Trefftza jest
modyfikacją profilu Ż ukowskiego i dla m = 2 funkcje (3) i (13) są identyczne.
4. Badanie istnienia cał ki (2) w obszarze nieorganiczonym
Cał ka
dW
. dw dw \ T dC \ dc } _ 1 r dW dW
wyraża energię kinetyczną cieczy doskonał ej. C. Witoszyń ski pokazał [1], że energia kine-
tyczna w obszarze nieskoń czonym na zewną trz walca (przy pominię ciu energii kinetycznej
pochodzą cej od przepł ywu jednostajnego) jest nieskoń czenie duż a. Rozważ ania nasze
przeprowadzimy dla potencjał u zespolonego z pominię ciem czł onu odpowiadają cego
przepł ywowi jednostajnemu, wtedy:
w(z) = 0(x, y)- Re(v„ z)+i [y>(x,y)- Im(v
a>
z)] =
= 0(x,y)- u(x,y)+i[yi(x,y)- V(x, y)] = &(x, y)+iW (x, y),
n(x, y) = R e ^ z ) == x • v
x
+y • v
y
, V(x, y) = I m ^ z ) = y • v
x
—x • v
y
.
Stą d funkcjonał energii ma postać:
/ = Y J V^V* • dx • dy- j S- p(s) • ds =f
396 M . J. ClAŁKOWSKI
1 f dw dw
J
sa
(18)
gdzie:
rt- normalna zewn ę t rzna do brzegu
Z ajm iem y się teraz zbadan iem istn ien ia pierwszej cał ki zależ noś ci (18)
.\
Z ach o d zi pyt an ie czy w pasie n ieskoń czon ym zawierają cym profil, cał ka (18) bę dzie miał a
wart o ść skoń czon ą. D la uproszczen ia rozważ ań podzielim y obszar n a dwie czę ś ci Q' =
= Q'
p
{jQ'
R
, gdzieQ'
p
jest obszarem zawartym mię dzy liniam i prą du W
x
i 1f
2
(rys. 3) i pro-
m ien iem r < R n at om iast obszar Q'
R
zawarty jest m ię dzy liniam i prą du \ F
X
i XF
2
i r > R.
W obszarze skoń czon ym Q'
p
n a m ocy poprzedn ich rozważ ań cał ka (18) jest ograniczona.
Z a t e m wystarczy zbadać cał kę / 4 tylko w obszarze Q'p okreś lon ym zależ noś ciami
Q'
p a}.
Rys. 3.
CAŁ KA ENERG II W OPLYWIE PROWLU 397
D la uproszczenia przyjmijmy v
m
= vj. Cał kę 74 zbadamy w biegunowym ukł adzie współ -
rzę dnych (rys. 3)
| = /• • c o s ę ?, rj = /• • s i n < p , s t ą d: £ = • / • • e i ( " ,
wtedy:
1 P T V F* Tfl2 - 2 ^ , - '2"4
D ruga cał ka w zależ noś ci (19) m a wartość skoń czoną gdyż:
co < pi(r) co ip i( r )
J Ś £ *- - fM£
^ f dr 1 . . ,
^ m ax [(pi(r) —