旋转流体中圆球沿旋转轴运动产生的扰动.pdf

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旋转流体中圆球沿旋转轴运动产生的扰动

应用数学和力学, 第 19 卷 第 9 期( 1998 年 9 月) 应用数学和力学编委会编 Applied Mathemat ics and Mechanics 重 庆 出 版 社 出 版 乐嘉春 ( 戴世强推荐, 1997 年 1 月 6 日收到) 本文用线化理论分析了整体旋转的理想流体 中有一个 球沿旋转轴作匀速运动 时流体的扰 动, 基于旋轴对称流动的假设导出了决定运动稳定性的扰动压力方程和扰动流函数方程 用简正 模法分析了扰动流函数方程, 得出了非平凡 中性扰动的波数与波速 必须满足的约束条件, 并求 出 了扰动的精确表达式 文中得出结论, 中性扰动共有三种可能的形式 旋转流体 物体运动 小扰动 稳定性 O351 1 引 言 从水中发射的物体在水中穿行时必然会产生扰动, 如何在物体的远处探测到这些扰动并 根据所得信息判定物体的位置、速度以及发射地点是一个重要的问题 由于被发射物体是旋 转的, 所以周围流体相对于与物体同步旋转的参考系作整体旋转, 这是旋转流体中物体运动的 问题 Proudman[ 1] 和 Taylor[ 2] 最早研究这类问题, 他们证明了当物体缓慢运动时, 流动在每一 个垂直于旋转轴的平面上是一样的 Taylor 通过一系列理论分析和实验, 发现物体在旋转流 [ 3] 体中的运动有别于它在非旋转流体中的运动, 且有些差别与边界条件无关 近几十年来, 旋 转流体的研究在地球物理学中最多, 但这种研究都假设 Rossby 数是小量, 与本文所研究的流 动不同 其它方向上近期的研究有: Honji 等的实验[ ] 研究了底部倾斜的水箱作旋转对热对流 引起流体重力不稳定运动的影响; Gorodtsov[ 5] 讨论了球对称区域中均匀分布的分层流体因物体 [ 6] 沿一方向平动产生的运动; Iyengar 等 分析了形状近似球的物体在微极流体中的缓慢转动 鉴于中性扰动对流动的稳定性特征有决定性作用, 本文着重讨论物体在旋转流场中运动 产生的中性扰动 为此我们导出了扰动压力和扰动速度的方程, 求解得出三类非平凡中性扰 动, 对这三类扰动的特征作了讨论 通过分析扰动存在的条件, 指出非奇异振荡型长波扰动最 可能被测到 2扰 动 方 程 我们考虑密度为 的不可压理想流体充满全空间, 流体以角速度 旋转, 一个半径为 a 的刚性小球沿流体旋转轴负向以速度 U 运动 同济大学工程力学与技术系, 上海 200092 799 800 乐 嘉 春 已有的理论工作都假设了流动是旋轴对称的( 流动物理量在垂直于旋转轴的平面上沿周 [ 7] 向不变) , 实验结果证明这是合理的 , 本文仍采用这一假定 根据流动的特点, 我们设立柱坐 标系( x, r, ) , 原点在小球中心, x 轴沿旋转轴, 坐标系绕 x 轴以角速度 旋转 记位置向量 为 r 的点处流体速度为 v, 压力为 p , 重力为 F , 坐标系角速度为 ( 沿 x 轴方向) , 则连续性方 程和 Euler 方程是 v = 0 v 1 t + v v = F - 2 v - ( r ) - p 设流体的静水压力是 p , 若记扰动压力的某种度量是 0 p - p 0 1 2 2

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