二维定常Chaplygin气体绕直楔流动
The Two-Dimensional Steady Chaplygin Gas Flows Passing a Straight Wedge
收稿日期: 2020-07-29
Received: 2020-07-29
作者简介 About authors
贾嘉,E-mail:
The purpose of this paper is to investigate the two-dimensional steady supersonic chaplygin gas flows passing a straight wedge. By the definition of Radon measure solution, the accurate expressions are obtained for all cases where the Mach number is greater than 1. It is quite different from the polytropic gas, for the chaplygin gas flows passing problems, there exists a Mach number
Keywords:
本文引用格式
贾嘉.
Jia Jia.
1 引言
本文考虑Chaplygin气体的二维定常等熵可压Euler方程组, 由如下质量和动量守恒方程组成
Chaplygin气体在空气动力学中起着至关重要的作用, 其引入一方面作为用于近似计算空气动力学中机翼的升力问题[1], 另一方面是近年来研究较热的有关暗物质的模型[3]. 由此可见, 无论从理论还是从应用角度, Chaplygin气体在双曲守恒律方程的研究中占据着重要地位. 文献[4]中Qu和Yuan给出了Chaplygin气体一维活塞问题的Radon测度解的定义, 证明了当活塞运动的Mach数适当大时在活塞表面形成质量集中, 无法用Lebesgue积分解刻画, 而用Radon测度解来刻画能很好地解决这一问题, 得到解的存在性. 文献[5]中Qu和Yuan等证明了来流Mach数趋于无穷时, 会在楔体表面形成质量集中. 本文主要研究二维定常Chaplygin气体绕直楔流动的相关问题, 在Radon测度解的意义下, 对Mach数大于1和楔角在
方程组(1.1) 可写成一般的守恒律形式
其中
直楔为
假定气体在直楔表面满足滑移条件
在直线
其中
经过量纲分析(参看文献[4]), 方程组(1.1) 的初值可化为
且压强与马赫数的关系为
其中
2 积分弱解及可解范围
定义2.1[5] 称
在间断
将式(1.6)和(1.7) 代入式(2.2), 得到波后Chaplygin气体的物理量为
当激波间断与直楔表面重合, 此时满足
由式(2.3) 知, 当
由此可见, 当来流Mach数
在第4节我们将详细地讨论来流Mach数
为方便后文讨论, 我们先给出如下引理.
引理2.1 方程(1.2)(1.3)(1.5) 存在含激波的分片光滑解的条件为来流Mach数
证 若方程(1.2)(1.3)(1.5) 存在积分弱解, 则在间断处相应的Rankine-Hugoniot条件成立, 由密度的非负性结合表达式(2.3) 可知, 来流Mach数
波后的Mach数:
将式(1.7)和(2.3)代入式(2.8), 得
因为来流Mach数
得出波后的Mach数
引理2.2 当来流Mach数趋于
证 因为
对表达式(2.3)(2.4), 直接取极限
结合式(2.3)和(2.6), 得
引理
注2.1 通过引理2.2, 可知来流Mach数趋于
综上, 描述Chaplygin气体绕流问题的方程(1.2)(1.3)(1.5) 存在分片常数
3 Radon测度解及一般$ M_{0} $ 的可解性
令
定义3.2[5] 对固定Mach数
i)
ii)
注3.1
引理3.1 定义3.2中Radon测度解是定义2.1中积分弱解的推广.
证 由积分弱解的定义(2.1) 式, 变形得
结合散度定理[12], 式(2.1)可改写为
这与定义3.2中Radon测度解的定义一致, 由此可见, 积分弱解也是Radon测度解, 即定义3.2中Radon测度解是定义2.1中积分弱解的推广.
由引理2.1知, 方程(1.2)(1.3)(1.5) 存在含激波的分片光滑解的条件为来流Mach数
下面我们给出当来流Mach数
引理3.2 来流Mach数
证 要证明方程(1.2)(1.3)(1.5) 存在Radon测度解, 只需将其Radon测度解求解出来即完成证明.
设
其中,
将式(3.8)(3.9) 代入式(3.5), 得
由
解得
类似地, 将式(3.10)(3.11)(3.12) 代入式(3.6), 得
将式(3.10)(3.13)(3.14) 代入式(3.7), 得
利用直楔上的滑移条件(1.3), 结合式(3.17)(3.18), 得到
综上, 描述Chaplygin气体绕流问题的方程(1.2)(1.3)(1.5) 的Radon测度解的密度测度为
速度为
于是方程(1.2)(1.3)(1.5) 的Radon测度解的存在性得证.
4 几类极限的讨论
在第3节中, 我们讨论了描述Chaplygin气体绕流问题方程的Radon测度解及一般Mach数
引理4.1 来流Mach数
证 由第2节可知, 对任意试验函数
由于
令
得到
同理, 可得
这与第3节中求得的式(3.16)和(3.19)一致.
其次, 由压强的关系(1.6)–(1.7), 知
当
对式(4.4)–(4.6)关于
同理, 可得
令
则式(2.1) 可以改写为
由于
根据式(4.8)–(4.9), 当
注4.1 由第1节可知, 楔面的斜率
引理4.2 来流Mach数
证 当
当
该结果与文献[5]中多方气体的结果一致.
注4.2 通过引理4.2, 可知来流Mach数
引理4.3 来流Mach数
证 当来流Mach数
由式(2.5) 得
又由滑移条件(1.3) 知,
对表达式(2.4), 直接取极限
由式(2.3)–(2.4) 知
由式(2.6) 知
此时激波斜率趋于无穷, 激波极限位置垂直于来流.由式(4.1) 知
而
由式(2.3)和(2.5)得
所以
进而
得到
又因为
同理, 将上述过程中
由式(2.3) 知
此时密度趋于无穷, 又因为
同上述过程类似, 可得
所以, 当来流Mach数
注4.3 通过引理4.3, 可知来流Mach数
5 主要结果
根据前面的讨论, 可以总结得到如下定理:
定理5.1 当来流Mach数
来流Mach数
来流Mach数
参考文献
Multidimensional shock interaction for a Chaplygin gas
,DOI:10.1007/s00205-008-0110-z [本文引用: 1]
Holographic Chaplygin gas model
,DOI:10.1016/j.physletb.2007.03.025 [本文引用: 1]
Measure solutions of one-dimensional piston problem for compressible Euler equations of Chaplygin gas
,
Hypersonic limit of two-dimensional steady compressible Euler flows passing a straight wedge
,
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