Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS69\MTS69_t7z1_4_PDF\mts69_t7z1.pdf M E C H A N I K A  T E O R E T Y C Z N A  I  S T O S O W A N A  1,  7  (1969)  D R G A N I A  G RU B O Ś C IE N N E J  R U R Y  P R Z Y  W E W N Ę T R Z N Y M  I  Z E W N Ę T R Z N Y M  P R Z E P Ł Y W I E  C I E C Z Y  JACEK  S A M B O R S K I ( W AR S ZAW A) Waż niejsze  oznaczenia  promień   wewnę trzny  i  zewnę trzny  ru ry,  gę stoś ć   materiału  ru ry,  gę stoś ć   cieczy  wewnę trznej  i  zewnę trznej,  prę dkoś ć   niezab u rzonego  przepływu  cieczy  wewnę trznej  i  cieczy  otaczają cej  rurę ,  prę dkoś ć   propagacji  dź wię ku  w  cieczy  wewnę trznej  i  zewnę trznej  przy  nieza b u rzonym  przepływie,  prę dkoś ć   fa zowa  sprę ż ystej  fali  propagowanej  wzdłuż   ru ry,  prę dkoś ć   fal podłuż nych  w  materiale  ru ry,  prę dkoś ć   fal  poprzecznych  w  materiale  ru ry,  stałe  La me'go  materiału  ru ry,  funkcje  B essela  н ­tego  rzę du  pierwszego  rodza ju ,  funkcje  Bessela  л ­tego  rzę du  dru giego  rodzaju ,  w  =­w  n  ­  Q z  £  ­  C w  Ё   ­  —  Q Q C2 C2 . 1.  Wstę p  Piś miennictwo  dotyczą ce  zagadnień   drgań   powłok  cylin d r yczn ych w  kon ta kcie  z  cie­ czą   jest  ob szerne.  Identyczny  j a k  w  niniejszej  pra cy  p r zyp a d ek  d l a cien kich powłok  r oz­ patrzył  B O ŁO TI N  w  swojej  pra cy  [3]  i  nastę pnie powtórzył w  [4].  D r g a n i a  gr u b ych  powłok  cylin d r yczn ych  b ez  cieczy  rozwią zali  G A ZI S  [5}  i  M I R S K Y,  H E R R M A N N  [6].  G REEN SP O N  [7]  zają ł  się   cien k imi i  g r u b ymi  powłokami  za n u r zon ymi w  nieru chomej  cieczy  z  przyłoż onym  stałym  ciś nieniem w  ś rodku.  W res zcie  prace  BO BESZKI  ([2]  j a k o  kon tyn u a cja  [1])  dotyczą   a na logicznego  za ga dnienia , j a k niniejs za  pra ca ,  ale b ez cieczy  zewnę trznej. W  odróż nieniu  o d  litera tu ry  cytowa nej  powyż ej, w  niniejszej  pra cy  uwzglę dniono  p r zyp a d ek  gru b ej  p ow ­ włoki  i  r u ch  o b u cieczy:  wewnę trznej i zewnę trznej.  W  p r a cy  rozważ amy  d r ga n ia własne nieskoń czenie długiej  r u r y  o  p r omien iu wewnę trz­ n y m  a  i  zewnę trznym b  (wielkoś ci: promień   b  i  gruboś ć   ru ry  b­a  są   tego  samego  rzę du).  a,b  e  Qw, Qz uw,  uz  Cw, Cz Ci ­V  Ш   T  X, / i  Ш ,  Yn(r)  74 J .  S A M B O R S K I  Materiał  r u r y jest  lin iow o  sprę ż ysty.  Rurę   wewną trz  i  zewną trz  opływają   dwie  ciecze,  ś ciś ­ liwe  i  nielepkie,  o  gę stoś ciach  od p ow ied n io  gw  i  QZ.  W  d a ls zym  cią gu  przyjmu jemy  nieskoń ­ czenie  małe  przemies zczenia  punktów  r u r y  i  lin iow e  równania  r u ch u  d l a  cieczy  or a z  l i ­ n iow e  w a r u n k i  b rzegowe.  Przepływ  cieczy  w  stanie  s p oczyn ku  r u r y  od b yw a  się   ze  stałą   prę dkoś cią   równolegle  d o  os i r u r y.  2 .  Podstawowe  równania  zagadnienia  D l a  in fin itezyma ln ych  odkształceń   r u r y,  pertu rb a cja  w  przepływie  wywołana  przez  odkształcenia  r u r y  róż ni  się   infinitezyma lnie  o d przepływu  ze  stałą   prę dkoś cią   U,  a  p oten ­ cjał  pertu rb a cji 93 spełnia  zlinea ryzowa ne  równanie  1 / 5  „  д   v"  (2.1)  ^ ~ 1 Ą k + u i x ^ ­  "  gdzie  d l a cieczy  wewnę trznej  należ y  podstawić :  q>w,  cw,  Uw,  a  d la  cieczy  zewnę trznej:    u = U(HJ , м 2, "3) . Pr zed s ta w my  w ektor  przemies zczenia  u w  pos ta ci  s u my  gr a d ien tu  potencjału  s ka la rnego  %  i  rota cji  bezź ródłowego  potencjału  w ektor ow ego  ф   (2.3)  u  =  gr a d x+rot  ф ,  d ivф   =  0 .  W p r o w a d za m y  współrzę dne  cylin d r yczn e  х ,  в ,  r  (oś   x  p o k r yw a  się  z  osią   cylin d r a ) .  Znają c  potencjały  % i  ф ,  moż emy  z  (2.3)  znaleź ć   p ole  przemieszczeń   punktów  r u r y  „  _  „  ­  dX  ,  dVt>  V»  •   1  U x  ~  "  ~  8x  +  dr  r  +  г   dd  '  Przyjmują c  czę ś ć   liniową   tens ora  odkształcenia  E u l er a ,  składowe  p ol a  odkształceń   i n a ­ prę ż eń   za pis zemy  w  pos ta ci  ­ du  w  1  dv  dw  e x x  =  ~dx~'  е т   =  7  +  7~д в '  e "  =  Tr'  1  ldv  1  du\  1 Idu  dw\  1  /dv  v  l  dw  e*e  =  2Щ   +  7~д в ]'  е " = 2 " \ а 7  +  "^/'  е г в   ~ Т \ д 7 ~ 7 +  7 1 ё   а х х   =  Х А +2ц е х х ,  а в в   == Х А +2/ л е м ,  а „  =  Х А +2ц е „,  •  ^ 2 ' 6 ^  с г х 9  =  2,м е х в ,  <г х г   =  2/ л е х г ,  а в г   =  2/г е 9г ,  • D R G A N I A  G R U B O Ś C I E N N E J  R U R Y  P R Z Y  P R Z E P Ł Y W I E  C I E C Z Y  75  gdzie  (2.7)  A  Równanie  (2.2)  jest  spełnione, jeś li  potencjały  % i ф   spełniają   równania  falowe  (2.8)  1 о 2 ф   (  i  _  i  \  V 2 V  s2x  ,  i  82Z  l  dx  ,  д 2Х   (е х х +е в в +е г г )  =  V  X  =  +  f.2  W  +  ~ ^  +  y , f  V  1  c\ dt2  '  (2.9)  У 2 ф ­ c\ dt2  0.  W a r u n k i  b rzegowe  łą czą ce  pole  prę dkoś ci  płyną cej  cieczy  wewnę trznej  i  zewnę trznej  i  drgają cej  sprę ż yś cie  r u r y  są   nastę pują ce:  warunek  kinematyczny,  wymagają cy  b y  były  równe  składowe  p r omien iow e  prę dkoś ci  czą stki  płynu  i  czą stki  r u r y  n a p ow ier zch n ia ch  r  =  a i r =  b  (2.10)  Sepy,  dr  r=a  dur  r=a  w  dx  3  r=a  (2.11)  dw(r, 6, x,  t) =  /(r)cos7i0sin(et>f—kx),  (p2{r, 6, x,  t)  =  p(r)cosnOsu\(wt—kx),  X(r,  в , X, t)  =  g(r)cosnOcos(oot  — kx),  y>x(r, 0, x,  i)  =  hx(r)sinnOcos(cot—kx),  г р в (г ,  в , x,  i)  =  he(r)cosnes\n(cot—kx),  yr(r,  0, x,  t) =  hr(r)$innQsm(wt—kx).  Przez  pods ta wienie  (3.1)  d o równań   (2.1),  (2.8) i  (2.9) otrzymu jemy  zwyczajne  równania  róż niczkowe  n a fu nkcje p,f,  g, hi =  hx,  he—hr  =  2h2 ora z  he­\­hr  =  2h}  B„.„[f]  =  0,  Bn,Sr[p]  =  0,  B„,,r[g]  =  0,  (3.1)  (3.2)  В п .у г Щ   =  0 ,  Bn+l,yr[h2]  =  0 ,  B„.x,ir[h3]  =  o,  76  J .  S A M B O R S K I  gdzie  (3.4)  a 2 = ^r Ję ^L  _к г , p = «L _ Л « .  у г  =  « J  .  32 =  ( *>­ ^ , ) 2 .  C l  C 2  Ogólne  rozwią zanie  (3.1) w tym p r zyp a d k u  m a postać   f(r)  =  A1Zn(ar)+A2Wn( Ł ,  Z„(ar)­+  W„{dr),  %­*8,  a  mia n ow n ik  [ «Z „( a a ) — Ai a a Z n ł ,(aa)] zastą pić   mia n ow n ik iem  [nWn(db)—dbWn+1(db)].  Wielkoś ci  A ;  (i  =  1, 2, 3)  przyjmują   wartoś ci  + 1  lu b  — 1  (w  zależ noś ci  czy  a,  fi,  у   są   rzeczywis te  czy  u rojone),  zgodnie  z  tabelą   (3.10)  a  u rojone  -> /„(ar)  A,  =  ­ a  rzeczywiste  Л ( а г )  A,  =  /? u rojone  /„(/Sr),  В Д г )  A 2 =  ­ /3 rzeczywiste —»  Л О З г ),  r.(j8r)  A2  =  у   u rojone  —• h(yr),  Kn(yr)  A3  =  ­ у   rzeczywiste  Uyr),  Yn(yr)  A 3  =  U w a g a :  W  p r a cy  BO BESZKI  [2]  popełniono  pomyłkę   rachunkową   p r zy  ob l icza n iu  współczynników  C , ; , pomyłkę   tę   powtórzono  p r a w d op od ob n ie  za pracą   G AZI S A  [5]. W  Cn,  C 4 i ,  , C 1 4  i  C 4 4  za mia s t  ( y 2 ­ l )  w in n o  b yć :  [ ( у 2 ­ 1 ) + 2 Ł 2 ( А 2 ­ 1 ) ] ,  a  w  C 2 3 ,  C 2 6 ,  C 5 3  i  C 5 6  wyraż enie  y2k2a2  w in n o  być   pomnoż one  przez  (2A 3 — 1).  D R G A N I A  G R U B O Ś C I E N N E J  R U R Y  P R Z Y  P R Z E P Ł Y W I E  C I E C Z Y  79  4.  Rozwią zania  szczególne  Równanie  (3.8)  opisu je  zwią zki  dyspersyjne  d l a  gruboś ciennej  r u r y  opływanej  we­ wną trz  i  n a  zewną trz  przez  płyny.  W  szczególnych  p r zyp a d k a ch  ten  b a r d zo  s k omp l ik o­ w a n y  w a r u n ek zna cznie się   u pra s zcza .  W  p r zyp a d k u  fa li  stoją cej  (k  —  0)  w yzn a czn ik  redu ku je  się   do  iloczyn u  dwóch  p o d ­ wyznaczników  (4.1)  AŁ >2  =  0 ,  gdzie  (4.2)  A  =  Cu c 1 3  Cu Ci  6  c2l  C24  c26  С 41  C4 4 C4 6 С  51  c 5 3  C54  c56  £>,=  C 3 2  С б 2  C35 C o 5  Rozwią zania  niezerowe  istnieją ,  jeś li  przyna jmniej jeden  z  podwyznaczników  jest  równy  zer u .  P r zy  Di  =  0  stan  odkształcenia  jest  płaski,  p r zy  D2  =  0  zachodzą   podłuż ne  d r ga ­ n i a  ś cinają ce  (ob a rodzaje  drgań   niezależ ne  o d  x).  W  p r zyp a d k u  fa l  os iow o­ s ymetr yczn ych  (и   =  0)  w a r u n ek  is tnienia  rozwią zań   nie­ zer ow ych  (3.8)  redu ku je się   d o  (4.3)  gdzie  (4.4)  D3D4  =  0 ,  D3  =  Cu C12 C] 4  С , 5  C 3 ,  C32  C34  C 3 5  C 4 1  C 4 2  C 4 4  C 4 5  c «  c 6 2  С б 4  c 6 5  2>4  =  С 2 з   C 5 3 C 2 6  C 5 6  P r zy  D 3  =  0  powstają   fale  podłuż ne  os iowo­ s ymetryczne  (tylko  przemies zczenia ur  i  ux).  Jeś li  DĄ   =  0, to  p r zyp a d ek fal skrę tnych  (tylko  przemies zczenia  u9).  Liter a tu r a  cytowana  w  tekś cie  1.  A .  B O B E S Z K O ,  Sprę ż yste  fale  gię tne  w  nieskoń czonej  rurze  przy  przepływie  płynu  nieś ciś liwego,  Rozp r .  Inż yn.  1,  1 1 (1963).  2.  A .  B O B E S Z K O ,  Flexural  elastic  waves  in  infinite  tube  containing  flowing  a  compressible  fluid,  according  to  the exact  theory  of  elasticity,  A r c h .  M ech .  Stos.,  1, 1 6 (1964).  3.  В .  В .  Б о л о т и н ,  К о л е б а н и я   и   у с т о й ч и в о с т ь   у п р у г о й   ц и л и н д р и ч е с к о й   о б о л о ч к и   в   п о т о к е   с ж и м а е м о й   ж и д к о с т и ,  И н ж .  С б .  2 4 , 1956.  4 .  В .  В .  Б о л о т и н ,  Н е к о н с е р в а т и в н ы е   з а д а ч и   т е о р и и   у п р у г о й   у с т о й ч и в о с т и ,  М о с к в а  1961.  5.  D . С .  G A Z I S ,  Three­dimensional  investigation  of  the  propagation  of  waves  in  hollow  circular  cylinders,  J A S A ,  5,  3 1  (1959).  6.  I.  M I R S K Y ,  G .  H E R R M A N N ,  Axially  symmetric  motions  of  thick  cylindrical  shells,  J . A p p l .  M ech . ,  1, 25  (1958).  7.  J . E .  G R E E N S P O N ,  Vibrations  of  thick  and thin  cylindrical  shells  surrounded  by water,  J A S A ,  10, 3 3 (1961).  80  J .  S A M B O R S K I  Р е з ю м е   К О Л Е Б А Н И Я   Т О Л С Т О С Т Е Н Н О Й   Т Р У Б Ы   О Б Т Е К А Е М О Й   В Н У Т Р И   И   С Н А Р У Ж И   Ж И Д К О С Т Ь Ю   В   р а б о т е   р а с с м о т р е н ы   с о б с т в е н н ы е   к о л е б а н и я   б е с к о н е ч н о й ,  у п р у г о й   т о л с т о с т е н н о й   т р у б ы .  Т р у б а   о б т е к а е т с я   в н у т р и   и   с н а р у ж и   д в у м я   р а з л и ч н ы м и   с ж и м а е м ы м и   и   н е в я з к и м и   ж и д к о с т я м и .  П р е д п о л а г а е т с я ,  ч т о   о б е   ж и д к о с т и   т е к у т   в   н е в о з м у щ е н н о м   с о с т о я н и и   т р у б ы   п а р а л л е л ь н о   е ё   о с и .  С в е р х   т о г о ,  с ч и т а е т с я ,  ч т о   п е р е м е щ е н и я   в   т р у б е   б е с к о н е ч н о   м а л ы   и   м о ж н о   п р и н я т ь   л и н е а р и з о в а н ­ н ы е   у р а в н е н и я   д в и ж е н и я   ж и д к о с т и   и   л и н е й н ы е   к р а е в ы е   у с л о в и я .  О к о н ч а т е л ь н о е   р е ш е н и е   з а д а ч и   д а н о   в   в и д е   д и с п е р с и о н н ы х   с о о т н о ш е н и й .  Р а с с м о т р е н ы   д в а   ч а с т н ы х   с л у ч а я :  о с е с и м м е т р и ч е с к и е   к о л е б а н и я   и   в о л н ы   н е з а в и с и м ы е   о т   к о о р д и н а т ы   в д о л ь   о с и   т р у б ы .  S u m m a r y  V I B R A T I O N S  O F  A  T H I C K ­ W A L L E D  T U B E  I N  I N T E R N A L  A N D  E X T E R N A L  F L O W S  O F  F L U I D S  V ib r a tion s  of  infinitely  long,  elastic  a n d  thick­ wa lled  tube  are  considered.  Th e  tube  is  assu med  to  be  in  two  flows  ­  internal  a n d external ­  of  two  different  b u t  b oth  compressib le  a n d  non­ viscou s  flu ids .  In  a ddition,  in the  case  of  the  tube  in  rest,  b oth  flows  are  assu med  to  be  u n ifor m  with  velocity  parallel  to  the tu b e.  Moreover,  infinites ima l  displacements  of  the tube  as well  as  linear  equ ations  of  flu ids  motion  a n d  linear  b ou nda ry  conditions  are  a pplied.  Th e  fina l  s olu tion  of  the  p r ob lem  in  qu es tion  is  presented  in  the for m  of  dispersion  relations.  The  paper  is  illu strated b y  two  cases:  of  a xia lly  s ymmetric  vib ra tions  a nd  infinite  wavelengths.  Z A K Ł A D  M E C H A N DS I  O Ś R O DK Ó W  C I Ą GŁ Y C H  I N S T Y T UT U  P O D S T A W O W Y C H  P R O B L E M Ó W  T E C H N I K I  P A N  Praca  została  złoż ona  w Redakcji  dnia  5  czerwca  1968 r.