Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Геометрические эффекты в простейшей форме возникают при рассмотрении сферических волн. Если линеаризованная теория описывается волновым уравнением, то решение для расходящейся сферической волны имеет вид ${ }^{1}$ ) где $c_{0}$ – скорость распространения возмущения. Амплитуда затухает как $1 / r$, в то время как площадь поверхности, через которую распространяется энергия, растет как $r^{2}$. Волновой профиль уменьшается за счет множителя $1 / r$, но в остальном не изменяется. Если этот результат является линеаризованным решением соответствующей нелинейной задачи, то, как мы знаем, нелинейное искажение профиля является определяющим при правильном описании опрокидывания волны и распространения ударной волны. Предположим, что истинная нелинейная скорость распространения возмущения, определяемая из характеристических уравнений, равна $c(\varphi)$ (линеаризованная скорость $c_{0}$ равна ее значению при $\varphi=0$ ). Тогда можно ввести нелинейное искажение, модифицировав (9.1) следующим образом: где $\tau(t, r)$ выбирается так, чтобы на кривых $\tau=$ const выполнялось точное характеристическое соотношение, т. е. мы требуем, чтобы Поскольку $\varphi$ определена как функция от $\tau$ и $r$, эти соотношения дают дифференциальное уравнение для $\tau$, которое легко проинтегрировать, поменяв ролями $r$ и $t$. Мы имеем отсюда где интегрирование проводится при постоянном значении $\tau$, а $T^{\prime}(\tau)$ – произвольная функция, которая появляется при интегрировании по $r$. Уравнение (9.5) определяет $\tau(t, r)$ и вместе с соотнопением (9.2) дает нелинейную модификацию репения. Этот метод введения нелинейности впервые был предложен Јандау [1], а затем независимо автором в связи с задачей о (звуковом ударе (Уизем [1-3]). Функция $T(\tau)$ связана с произволом в выборе характеристической переменной. Как только $T(\tau)$ выбрана, $f(\tau)$ определяется из соответствующих граничных условий на источнике. Различные способы выбора $T(\tau)$ компенсируются выбором $f(\tau)$. В общей теории ради простоты можно положить $T(\tau)=\tau$, но в конкретных задачах иногда полезна дополнительная свобода выбора. Следует отметить, что функции $f$ в линейном решении (9.1) и в нелинейном варианте (9.2) будут совпадать лишь в том случае, когда $T(\tau)$ выбрана так, что $\tau=t-r / c_{0}$ (с достаточной точностью) там, где накладываются граничные условия. Конечно, эта нелинейная модификация решения обычно не удовтетворяет заданным нелинейным уравнениям точно, да пока она еще и не обоснована даже как формальное приближение. Однако чувствуется, что она улавливает важные нелинейные эффекты для малых $\varphi$. В более простом случае, рассмотренном в $\$ 2.10$, а также в случае плоских волн, мы видели, что линеаризация характеристик была источником неравномерности аппроксимации. Нелинейность вносит искажения и в амплитудный множитель $1 / r$, но можно ожидать, что эта вторая модификация будет равномерно малой по $\varphi$. Сформулированная точка зрения будет подтверждена впоследствии, когда мы приступим к более тщательному оправданию этого метода. Для того чтобы увидеть полностью его возможности, мы сначала обсудим дальнейшие следствия и обобщения. Поскольку для сферических волн решение $\varphi$ имеет особенно простой вид, интеграл в (9.5) поддается изучению и упрощается заменой переменной интегрирования на $f(\tau) / r$. В других задачах, однако, соответствующие выражения менее удобны и полезно наметить общую схему анализа. Используя в качестве отправного пункта линеаризованное решение, мы уже предположили, что $\varphi$ мало, и поэтому корректно заменить $c(\varphi)$, скажем на $c_{0}+c_{1} \varphi+$ $+O\left(\varphi^{2}\right)$ и использовать (9.3) в приближенном виде Разложение по степеням $\varphi$ проводится для $d t / d r$, а не для $d r / d t$, ввиду последующего интегрирования по $r$. Тогда (9.4) принимает вид а характеристиками становятся кривые В линейной теории мы положили бы характеристическую переменную $\tau$ равной $t-r / c_{0}$ или функции от этой разности. Мы видим, что такая линейная аппроксимация неравномерна, поскольку дополнительный член стремится к бесконечности при $r \rightarrow \infty$. Член c $\ln r$ мал по сравнению с $r$, но его следует сравнивать скорее с выражением $c_{0} t-r$, характеризующим расстояние от переднего фронта волны. Предположение, что поправка к скорости распространения будет определяющей, подтверждается, и возникает аналогия с ситуацией, рассмотренной в § 2.10. Замена уравнения (9.4) приближенным выражением (9.6) – не только упрощение. В большинстве задач оказывается действитель- но бесмысленным сохранять члены высшего порядка по $\varphi$, поскольку само выражение (9.2) верно только с точностью до членов второго порядка по $\varphi$. Сингулярное поведение $\ln r$ при $r \rightarrow 0$ не вносит каких-либо особых неудобств, поскольку поправочный член несуществен вблизи начала координат, где можно вернуться к линейной теории. Однако, чтобы использовать выражение (9.8), как оно есть, следует исключить начало координат и применять это решение вне некоторой сферы $r=r_{0}(t)$, на которой заданы граничные условия. (Например, источник жидкости можно представить в виде расширяющейся сферы, раздвигающей жидкость.) Тогда $T(\tau)$ можно выбрать так, чтобы уравнение (9.8) имело вид При таком выборе нелинейная характеристическая переменная $\tau$ совшадает с $t-r / c_{0}$ на граничной поверхности и функция $f$ будет такой же, как и в линейной теории. Волны, описываемье формулами (9.2) и (9.8), будут опрокидываться, как только появится огибающая характеристик и решение станет многозначным. Если $c_{1}>0$, то волна, несущая возрастание $\varphi$, опрокинется. Например, для $T^{\prime}(\tau)>0$ это означает, что опрокидывание происходит, когда $f^{\prime}(\tau)>0$. На огибающей Для волны, определяемой соотношением (9.9), опрокидывание впервые произойдет на расстоянии, равном где $\tau_{m}$ – точка максимума для $f^{\prime}(\tau)$. Затем следует ввести ударную волну. Метод введения ударной волны будет следовать известной нам схеме, и мы пока отложим его рассмотрение. Рассмотрим теперь обобщения этого метода. Прежде всего линейные решения могут быть не такими простыми, как (9.1). Например, в случае цилиндрических волн решение (7.29) имеет вид Характеристическая переменная $t-r / c_{0}$ ясно видна в верхнем пределе, но как $t$, так и $r$ входят также и в подынтегральное выражение. Однако результаты для плоских и сферических волн свидетельствуют о том, что нелинейные , эффекты становятся важными на больших расстояниях, а на больших расстояниях, согласно (7.32), Следовательно, на больпих расстояниях нелинейность можно ввести почти также, как и в сферическом случае. Если истинная скорость распространения составляет $c(\varphi)=c_{0}+c_{1} \varphi+O\left(\varphi^{2}\right)$, то положим Здесь функция $T(\tau)$, получающаяся при интегрировании по $r$, положена равной $\tau$; поправочный член остается малым при $r \rightarrow 0$, и нет необходимости в более тщательном выборе $T(\tau)$. Снова линейная теория, в которой $\tau=t-r / c_{0}$, приводит к неравномерной аппроксимации при $r \rightarrow \infty$. Далее, хотя до сих пор основное внимание уделялось поведению на больших расстояниях, отклонение характеристики от прямолинейной зависит от а это отношение велико как при больших $r$, так и вблизи $t-r / c_{0}=$ $=0$. Таким образом, нелинейные поправки будут одинаково важными и вблизи волнового фронта $t-r / c_{0}=0$ на всех расстояниях. Существенно, что выражение (9.12) справедливо при ( $\left.c_{0} t-r\right) / r \ll$ $\ll 1$, так что оно охватывает оба случая. Соответствующая нелинейная модификация решения, определяемая равенствами (9.13) и (9.14), также применима вблизи фронта волны для всех $r$. Это имеет решающее значение, поскольку в наиболее интересных задачах на переднем фронте имеется ударная волна и нелинейную модификацию решения, выведенную из (9.13), можно использовать для ее изучения в целом. Можно построить нелинейную модификацию полного решения, положив и определить отсюда нелинейную характеристическую переменную $\tau$. В этой более полной форме характеристическое уравнение, соответствующее (9.14), становится чрезвычайно сложным, однако дополнительные члены остаются малыми по сравнению c $f(\tau) r^{1 / 2}$. Следовательно, для получения нелинейной модификации решения во всей области достаточно взять комбинацию выражений (9.16) и (9.14). Во всяком случае, нелинейная модификация играет первостепенную роль в области $c_{0} \tau / r \ll 1$, где (9.16) можно аппроксимировать выражением (9.13), в котором Следует отметить, однако, что надлежащие граничные условия обычно задаются вне области $c_{0} \tau / r \ll 1$, так что либо (9.16), либо полное линейное решение, к которому оно сводится, необходимо для определения функции $f(\tau)$, фигурирующей в равенствах (9.13) и (9.14). Решающая роль геометрической оптики теперь становится очевидной, поскольку (9.12) представляет собой приближение геометрической оптики для цилиндрических волн. В общем случае геометрическая оптика дает геометрию лучей и (для однородной среды) мы имеем вдоль каждого луча, где $s$ – расстояние по лучу, Ф (s) – амплитуда, $f\left(t-s / c_{0}\right)$ описывает профиль волны. Это естественная форма нелинейной модификации и она применима как раз там, где нелинейные әффекты наиболее важны – вблизи фронта волны и на больших расстояниях. Для нелинейной модификации следует положить Объединив результаты для всех лучей, получим нелинейную модификацию полного решения. Следует отметить, что $c$ ( $\varphi$ ) означает здесь скорость вдоль луча, что не совпадает с нормальной скоростью волнового фронта для анизотропной среды. Для неоднородной среды $c$ и $c_{0}$ могут также зависеть от $s$. В этом случае $s / c_{0}$ заменяется на $\int d s / c_{0}$, и если величина $c_{1} / c_{0}^{2}$ зависит от $s$, то в формуле (9.18) ее следует внести под знак интеграла. Теперь уместно сравнить данный метод с методом, развитым в предыдущей главе. Грубо говоря, для тех задач $f(\tau)$ была функцией типа ступеньки, так что нелинейное взаимодействие было умеренным и можно было учесть сильные нелинейные әффекты, изменяющие геометрию лучей. Здесь геометрия лучей и ее влияние на амплитуду $\Phi(s)$ принимаются из линейной теории без изменения, но допускаются более общие профили $f(\tau)$. Можно предположить, что в еще более общих задачах может понадобиться комбинация обоих подходов, но такой анализ выглядит устрапающе. Второе обобщение рассматриваемого метода связано с тем, что часто нелинейная скорость распространения зависит от производных $\varphi_{t}$ и $\varphi_{s}$, а не от самой функции $\varphi$. Однако при этом процедура меняется мало. Выражения для $\varphi_{t}$ и $\varphi_{s}$ выписываются в виде, аналогичном выражению (9.17), и исправленные характеристики определяются из соответствующего разложения В силу (9.17), соответствующие первые члены для $\varphi_{t}$ и $\varphi_{s}$ равны и характеристическое соотношение принимает вид Характеристики определяются из уравнөния Типичный пример подобной ситуации связан со сферическими волнами в газовой динамике. Линейная теория – это акустика, и $\varphi_{t}, \varphi_{r}$ соответствуют возмущениям давления и скорости. Из (7.3) и (7.4) имеем где $F(\tau)=-f^{\prime}(\tau) / a_{0}^{2}$. Нам потребуется также возмущение скорости звука $a$, которое определяется равенствами Нелинейная модификация решения имеет вид где $\tau(t, r)$ следует определять по исправленным характеристикам. Точные характеристические уравнения были приведены выше (см. уравнения (6.135)). Выходящие характеристики имеют скорость $a+u$. Следовательно, для поправки первого порядка к характеристикам имеем Согласно (9.20) и (9.21), это означает, что Это довольно тривиальный пример, в котором сохраняется лишь приближение геометрической акустики к (9.21) и (9.23). Цилиндрические и другие волны в газовой динамике рассматриваются аналогично, и приближение геометрической акустики дает существенное упрощение, подобное переходу от (9.11) к (9.12). Если в выражение для $c$ входят производные, то их удобнее считать новыми зависимыми переменными. Тогда во всех случаях приближение геометрической оптики приводит к выражениям для этих зависимых переменных, пропорциональным где Ф $(s)$ – амплитудная функция, а $F(\tau)$ описывает профиль волны. Уточненная скорость распространения в этом приближении равна где коэффициент $k$ – постоянная, определяемая конкретной связью между $c$ и зависимыми переменными. Исправленные характеристики удовлетворяют уравнению и имеют вид Построение разрывов где $U$ – скорость ударной волны, а $c_{1}$ и $c_{2}$ здесь означают скорости распространения возмущения на двух сторонах разрыва. В данном случае удобно рассматривать кривые в $(s, t)$-длоскости, считая $t$ функцией от $s$, так что условие на разрыве принимается в виде әквивалентном предыдущему с точностью до членов второго порядка относительно отклонений скоростей от $c_{0}$. Если ударная волна описывается уравнением то имеем Таким образом получается типичное соотношение «равных площадей» Положение передней ударной волны, движущейся в невозмущенную область, определяется уравнением (9.27), где $\tau$ связано $c s$ соотношением При $s \rightarrow \infty$ уравнение ударной волны асимптотически переходит в уравнение где На ударной волне параметры течения пропорциональны Типичная асимптотическая форма волны – это $N$-волна с уравновешенными ударными волнами, в области между которыми происходит линейное убывание по времени, пропорциональное Для сферических волн $\Phi(s)=1 / s$ и интенсивность ударной волны (9.33) убывает как $s^{-1}(\ln s)^{-1 / 2}$, лишь незначительно быстpee, чем затухают линейные импульсы. Для цилиндрических волн $\Phi=s^{-1 / 2}$ и интенсивность ударной волны убывает как $s^{-3 / 4}$. Копечно, плоские волны тоже описываются этими формулами; для них Ф постоянная и закон затухания имеет вид $s^{-1 / 2}$, что согласуется с полученными ранее результатами. Эти асимптотические законы затухания для цилиндрических и сферических волн были получены независимо различными авторами, первым из которых был, вероятно, Јандау [1]. где $A(s)$ – площадь сечения трубки лучей. Дальнейшие детали и приложения можно найти в ранней работе автора (Уизем [5]). Для неоднородной среды $s / c_{0}$ заменяется на $\int d s / c_{0}$ и все выражения в (9.26), зависящие от $s$, должны быть включены в Ф (s).
|
1 |
Оглавление
|