Lukes variatsion printsipi - Lukes variational principle - Wikipedia

Yilda suyuqlik dinamikasi, Luqoning variatsion printsipi a Lagrangian o'zgaruvchan harakatining tavsifi sirt to'lqinlari a suyuqlik bilan erkin sirt, harakati ostida tortishish kuchi. Ushbu tamoyil uni 1967 yilda nashr etgan J.K.Lukning nomi bilan atalgan.[1] Ushbu o'zgaruvchanlik tamoyili siqilmaydigan va noaniq potentsial oqimlar, va shunga o'xshash taxminiy to'lqin modellarini olish uchun ishlatiladi yumshoq qiyalik tenglamasi,[2] yoki yordamida o'rtacha Lagrangian bir hil bo'lmagan muhitda to'lqin tarqalishi uchun yondashuv.[3]

Luqraning Lagranjiy formulasini a ga qayta tiklash mumkin Hamiltoniyalik erkin sirtdagi sirt balandligi va tezlik potentsiali bo'yicha formulalar.[4][5][6] Bu ko'pincha modellashtirishda ishlatiladi spektral zichlik a-da erkin sirt evolyutsiyasi dengiz davlati, ba'zan chaqiriladi to'lqin turbulentligi.

Ikkala Lagranj va Hamilton formulalarini o'z ichiga olgan holda kengaytirish mumkin sirt tarangligi effektlari va foydalanish orqali Clebsch potentsiali qo'shmoq girdob.[1]

Luqoning lagrangiani

Luqoning Lagrangian shakllantirish uchun chiziqli emas sirt tortishish to'lqinlarisiqilmaydigan, irrotatsion va noaniqpotentsial oqim.

Ushbu oqimni tavsiflash uchun zarur bo'lgan tarkibiy qismlar:

  • Φ(x,z,t) bo'ladi tezlik potentsiali,
  • r suyuqlikdir zichlik,
  • g tomonidan tezlanish Yerning tortishish kuchi,
  • x komponentlar bilan gorizontal koordinata vektori x va y,
  • x va y gorizontal koordinatalar,
  • z vertikal koordinata,
  • t vaqt, va
  • G - gorizontal gradient operator, shuning uchun ∇Φ gorizontal oqim tezligi dan tashkil topganΦ/∂x va ∂Φ/∂y,
  • V(t) bu bo'shliqqa ega bo'lgan vaqtga bog'liq suyuqlik sohasi.

Lagranj Luqo tomonidan berilgan:

Kimdan Bernulli printsipi, bu Lagrangianni ko'rish mumkin ajralmas suyuqlik bosim butun vaqtga bog'liq bo'lgan suyuqlik domenida V(t). Bu topilgan erkin sirtsiz inviskid oqimining variatsion printsiplariga mos keladi Garri Beytmen.[7]

O'zgarish tezlik potentsialiga nisbatan Φ(x,z,t) va shunga o'xshash erkin harakatlanadigan yuzalar z=η(x,t) natijalari Laplas tenglamasi suyuq ichki qismdagi potentsial uchun va barcha kerakli narsalar chegara shartlari: kinematik barcha suyuqlik chegaralaridagi chegara shartlari va dinamik erkin sirtlarda chegara shartlari.[8] Bunga harakatlanuvchi to'lqin ishlab chiqaruvchi devorlar va kema harakati ham kirishi mumkin.

Erkin suyuqlik yuzasi gorizontal ravishda chegaralanmagan domen uchun z=η(x,t) va belgilangan yotoq z=−h(x), Luqoning variatsion printsipi Lagrangianga olib keladi:

To'shak darajasidagi atama mutanosib h2 potentsial energiyaga e'tibor berilmagan, chunki u doimiy va o'zgarishlarga hissa qo'shmaydi. Quyida potentsial oqimdagi chiziqli bo'lmagan sirt tortishish to'lqinlari uchun oqim tenglamalariga kelish uchun Luqoning variatsion printsipi qo'llaniladi.

Lyukning variatsion printsipidan kelib chiqadigan oqim tenglamalarini chiqarish

Turlanish tezlik potentsialining o'zgarishiga nisbatan Lagrangiyada Φ(x,z,t), shuningdek, sirt balandligiga nisbatan η(x,t), nol bo'lishi kerak. Keyinchalik ikkala o'zgarishni ham ko'rib chiqamiz.

Tezlik potentsialiga nisbatan o'zgarish

Kichkina o'zgarishni ko'rib chiqing δΦ tezlik potentsialida Φ.[8] Keyin Lagranjdagi o'zgarish quyidagicha:

Foydalanish Leybnitsning integral qoidasi, bu doimiy zichlikda bo'ladi r:[8]

O'ng tomondagi birinchi integral, chegaralar bilan birlashadi x va t, integratsiya domenining va o'zgargandan beri nolga teng δΦ ushbu chegaralarda nolga teng deb qabul qilinadi. Variantlar uchun δΦ erkin yuzada va yotoqda nolga teng bo'lgan ikkinchi integral qoladi, bu o'zboshimchalik uchun atigi nolga teng δΦ mavjud bo'lsa, suyuq ichki qismida Laplas tenglamasi ushlab turadi:

ph = ∇ · ∇ + ∂ bilan2/∂z2 The Laplas operatori.

Agar farqlar bo'lsa δΦ erkin sirtda faqat nolga teng bo'lmagan, faqat uchinchi integral qoladi va erkin yuzaning kinematik chegara shartini keltirib chiqaradi:

Xuddi shunday, farqlar δΦ pastki qismida faqat nolga teng bo'lmagan z = -h Natijada kinematik yotoq holati:

Sirt balandligiga nisbatan o'zgarishi

Lagranjning kichik o'zgarishlarga nisbatan o'zgarishini hisobga olgan holda δη beradi:

O'zboshimchalik uchun bu nolga teng bo'lishi kerak δη, erkin sirtdagi dinamik chegara holatini keltirib chiqaradi:

Bu Bernulli tenglamasi erkin sirtda qo'llaniladigan va erkin sirt ustidagi bosim doimiy bo'lgan beqaror potentsial oqim uchun - soddalik uchun doimiy bosim nolga teng bo'ladi.

Gamilton formulasi

The Hamiltoniyalik potentsial oqimdagi sirt tortishish to'lqinlarining tuzilishi tomonidan kashf etilgan Vladimir E. Zaxarov 1968 yilda va tomonidan mustaqil ravishda qayta kashf etilgan Bert Broer va Jon Maylz:[4][5][6]

bu erda sirt balandligi η va sirt potentsiali φ - bu potentsial Φ erkin yuzada z=η(x,t) - ular kanonik o'zgaruvchilar. Hamiltoniyalik ning yig'indisi kinetik va potentsial energiya suyuqlik:

Qo'shimcha cheklov shundaki, suyuqlik sohasidagi oqim qondirilishi kerak Laplas tenglamasi pastki qismida tegishli chegara sharti bilan z=-h(x) va erkin sirtdagi potentsial z=η ga teng φ:

Lagranj formulasi bilan bog'liqlik

Gamilton formulasini Luqoning Lagranj tavsifidan foydalanib olish mumkin Leybnitsning integral qoidasi ∂ integrali bo'yichaΦ/∂t:[6]

bilan erkin sirtdagi tezlik potentsialining qiymati va Hamilton zichligi - kinetik va potentsial energiya zichligi yig'indisi va Hamiltonian bilan quyidagicha bog'liq:

Gamilton zichligi yordamida sirt potentsiali bo'yicha yoziladi Yashilning uchinchi shaxsiyati kinetik energiya bo'yicha:[9]

qayerda D.(η) φ ga teng normal ∂ ning hosilasiΦ/∂n erkin yuzada. Laplas tenglamasi chiziqli bo'lgani uchun - suyuqlikning ichki qismida va yotoqdagi chegara holatiga bog'liq z=-h va erkin sirt z=η - normal lotin ∂Φ/∂n a chiziqli sirt potentsialining funktsiyasi φ, lekin sirt balandligiga chiziqli emas η. Bu bilan ifodalanadi Dirichlet-Neyman operator D.(η), chiziqli harakat qiladi φ.

Hamilton zichligi quyidagicha yozilishi mumkin:[6]

bilan w(x,t) = ∂Φ/∂z erkin sirtdagi vertikal tezlik z = η. Shuningdek w a chiziqli sirt potentsialining funktsiyasi φ Laplas tenglamasi orqali, lekin w sirt balandligiga chiziqli emas η:[9]

bilan V ishlaydigan chiziqli φ, lekin chiziqli emas η. Natijada, Gamiltonian kvadratikdir funktsional sirt potentsialining φ. Shuningdek, Gamiltonianning potentsial energiya qismi kvadratikdir. Sirtning tortishish to'lqinlaridagi chiziqli bo'lmagan manbalar kinetik energiya orqali erkin sirt shakliga bog'liq η.[9]

Keyinchalik ∇φ gorizontal tezlik bilan adashmaslik kerak ∇Φ erkin sirtda:

Lagranjning o'zgarishini hisobga olgan holda kanonik o'zgaruvchilarga nisbatan va beradi:

suyuq ichki qismida taqdim etilgan Φ Laplas tenglamasini Δ qondiradiΦ= 0, shuningdek, pastki chegara sharti z=-h va Φ=φ erkin yuzada.

Adabiyotlar va eslatmalar

  1. ^ a b J. C. Lyuk (1967). "Erkin sirtli suyuqlik uchun o'zgaruvchanlik printsipi". Suyuqlik mexanikasi jurnali. 27 (2): 395–397. Bibcode:1967JFM .... 27..395L. doi:10.1017 / S0022112067000412.
  2. ^ M. V. Dingemans (1997). Tengsiz tekisliklar bo'ylab suv to'lqinlarini ko'paytirish. Okean muhandisligi bo'yicha ilg'or seriyalar. 13. Singapur: Jahon ilmiy. p. 271. ISBN  981-02-0427-2.
  3. ^ G. B. Uitham (1974). Lineer va nonlineer to'lqinlar. Wiley-Intertersience. p. 555. ISBN  0-471-94090-9.
  4. ^ a b V. E. Zaxarov (1968). "Chuqur suyuqlik yuzasida cheklangan amplituda davriy to'lqinlarning barqarorligi". Amaliy mexanika va texnik fizika jurnali. 9 (2): 190–194. Bibcode:1968 yil JAMTP ... 9..190Z. doi:10.1007 / BF00913182. Dastlab paydo bo'lgan Jurnal Prildadnoi Mekhaniki i Texnikheskoi Fiziki 9(2): 86–94, 1968.
  5. ^ a b L. J. F. Broer (1974). "Yuzaki to'lqinlarning Gamilton nazariyasi to'g'risida". Amaliy ilmiy tadqiqotlar. 29: 430–446. doi:10.1007 / BF00384164.
  6. ^ a b v d J. W. Miles (1977). "Gemiltonning sirt to'lqinlari printsipi to'g'risida". Suyuqlik mexanikasi jurnali. 83 (1): 153–158. Bibcode:1977JFM .... 83..153M. doi:10.1017 / S0022112077001104.
  7. ^ X.Beteman (1929). "Siqilgan suyuqlikning ikki o'lchovli harakatida yuzaga keladigan differentsial tenglama va unga bog'liq o'zgaruvchan muammolar to'g'risida eslatmalar". London Qirollik jamiyati materiallari A. 125 (799): 598–618. Bibcode:1929RSPSA.125..598B. doi:10.1098 / rspa.1929.0189.
  8. ^ a b v G. V. Uitam (1974). Lineer va nonlineer to'lqinlar. Nyu York: Vili. 434-436 betlar. ISBN  0-471-94090-9.
  9. ^ a b v D. M. Milder (1977). "Gemiltonning sirt to'lqinlari printsipi to'g'risida'". Suyuqlik mexanikasi jurnali. 83 (1): 159–161. Bibcode:1977JFM .... 83..159M. doi:10.1017 / S0022112077001116.