Научная статья на тему 'АНАЛіЗ ПОШИРЕННЯ СЛАБКОНЕЛіНіЙНИХ ХВИЛЬ В ДВОШАРОВіЙ РіДИНі З ВіЛЬНОЮ ПОВЕРХНЕЮ'

АНАЛіЗ ПОШИРЕННЯ СЛАБКОНЕЛіНіЙНИХ ХВИЛЬ В ДВОШАРОВіЙ РіДИНі З ВіЛЬНОЮ ПОВЕРХНЕЮ Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
64
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЛНЫ / ДВУХСЛОЙНАЯ ЖИДКОСТЬ / ФОРМА ВОЛНОВОГО ПАКЕТА / СВОБОДНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Авраменко О.В., Нарадовий В.В.

Рассмотрена новая нелинейная задача распространения волн в системе «жидкий слой с твердым дном жидкий слой со свободной поверхностью». Для исследования применен метод многомасштабных разложений. Получены решения первых приближений и эволюционные уравнения огибающих волновых пакетов на поверхностях распространения волн. Проведен анализ формы волн на поверхности контакта и на свободной поверхности. Указаны области, в которых волны имеют затупленный гребень и острую подошву и наоборот

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Analysis of propagation of weakly nonlinear waves in a two-layer fluid with free surface

The study of wave motions in stratified fluids is one of the main tasks of hydrodynamics, which is caused by both theoretical and practical needs.Analytical analysis of propagation of weakly nonlinear wave packets in a two-layer fluid of finite depth in the presence of a free surface is performed. As a result, evolution equations of wave packets on the interface and the free surface in the form of the second-order nonlinear differential Schrödinger-type equations were derived. The form of internal and surface waves depending on the ratio of layer densities and the wave number considering the surface tension was analyzed. As a result, the effects of taking into account the second approximation in modeling wave motions in the two-layer system, which leads to blunting or sharpening of the wave crests and troughs were revealed. The analytical results are confirmed by field observations.

Текст научной работы на тему «АНАЛіЗ ПОШИРЕННЯ СЛАБКОНЕЛіНіЙНИХ ХВИЛЬ В ДВОШАРОВіЙ РіДИНі З ВіЛЬНОЮ ПОВЕРХНЕЮ»

-□ □-

Розглянута нова нелтшна задача поширення хвиль в системi «ридкий шар з твердим дном - рид-кий шар з вЫьною поверхнею». Для дослиджен-ня застосовано метод багатомасштабних розви-нень. Отримаш розв'язки перших наближень та еволюцшт рiвняння обвгдних хвильових пакетiв на поверхнях поширення хвиль. Проведено аналiз форми хвиль на поверхш контакту та на вшь-нш поверхт. Вказаш областi, в яких хвилi мають затуплений гребть i загострену тдошву i навпаки Ключовi слова: нелтшш хвилi, двошарова риди-

на, форма хвильового пакету, вшьна поверхня □-□

Рассмотрена новая нелинейная задача распространения волн в системе «жидкий слой с твердым дном - жидкий слой со свободной поверхностью». Для исследования применен метод многомасштабных разложений. Получены решения первых приближений и эволюционные уравнения огибающих волновых пакетов на поверхностях распространения волн. Проведен анализ формы волн на поверхности контакта и на свободной поверхности. Указаны области, в которых волны имеют затупленный гребень и острую подошву и наоборот

Ключевые слова: нелинейные волны, двухслойная жидкость, форма волнового пакета, свободная поверхность

-□ □-

УДК 532.59

|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.48282]

АНАЛ1З ПОШИРЕННЯ СЛАБКОНЕЛ1Н1ЙНИХ

ХВИЛЬ В ДВОШАРОВ1Й Р1ДИН1 З В1ЛЬНОЮ ПОВЕРХНЕЮ

О. В. Авраменко

Доктор фiзико-математичних наук, професор, завщувач кафедри* E-mail: oavramenko@rambler.ru В. В. Нарадовий Викладач*

*Кафедра прикладноТ математики, статистики та економки Юровоградський державний педагопчний ушверситет iм. В. Винниченка вул. Шевченка, 1, м. Юровоград, УкраТна, 25002 E-mail: naradvova1986@gmail.com

1. Вступ

Дослвдження хвильових pyxiB в рвдинах в залежносп ввд рiзних титв стратифжацп е одшею з важливих при-кладних задач сучасно! науки. Це обумовлено, напри-клад, тим, що щ рухи е невiд'емною складовою вивчення динамжи Свiтового океану. Також дослвдження хвиль в стратифiкованих системах скшченного об'ему (резер-вуари рiзного типу) мае багато практичних застосувань.

Моделювання хвильових рyхiв в шаруватих рщ-ких системах, стратифiкованих за густиною, потребуе досить складного математичного апарату та громiзд-ких аналiтичних перетворень та чисельних обчислень. Тому для задач такого класу використовують, як допо-мiжнi шструменти, комп'ютернi математичнi пакети спецiального призначення, як то MatLab, Maple та ш.

Таким чином, актуальним е дослщження та аналiз проблеми про поширення внутршшх та поверхневих хвильових пакепв в гiдродинамiчнiй системi «шар з твердим дном - шар з в^ьною поверхнею» iз застосу-ванням методу багатомасштабних розвинень з враху-ванням сили поверхневого натягу на вшьнш поверхш та на поверхш контакту.

2. Аналiз лкературних даних та постановка проблеми

Вивчення внутршшх хвиль скшченшл амплггу-ди отримало велику увагу численних дослщниюв: Останш дослiдження довгих поодиноких хвиль як в

©

атмосфер^ так i в океанi надали додатково! защкавле-ностi до цього явища. Б^ьша частка виконано! теоретично! роботи була пов'язана з аналiзом хвильових ру-хiв в системах, де внутршш хвилi е слабколiнiйними i довгими по вiдношенню до повно! товщини рiдини. Подiбнi процедури приводять до рiвняння Кортеве-га-де Врiза, що описують еволюцiю хвильових рухiв та баланс мiж нелiнiйнiстю i дисперсiею. Це рiвняння було досить добре вивчене, а також знайдеш методи, що дають точнi розв'язки для дов^ьно визначених початкових умов.

З шшого боку, моделi для двовимiрних хвиль були виведеш лише для мшко! води (рiвняння Буссiнеска). Рiвняння Кадомцева-Петвiашвiлi для слабконелшш-них двовимiрних хвиль були запропоноваш для гли-боко! води. Всi цi моделi придатш лише для певного iнтервалу вщношень товщини i довжини хвилi.

Аналiзом поширення хвиль-вбивць та хвиль типу цунамi активно займаеться Доценко. Зокрема, у робот [1] на основi даних спостережень в пiвнiчно-захiднiй частиш Чорного моря виконано аналiз аномальних вь трових хвиль (хвиль убивць). В [2] у рамках нелшшно! теорп методом скiнченних рiзниць виконано аналiз розповсюдження хвиль цунамi з басейну в прямоль нiйний канал сталого прямокутного поперечного пере-рiзу. Виявлено, що максимальна висота хвиль у каналi реалiзуеться для осередюв цунамi, розташованих на материковому схилi навпроти входу в канал.

У [3, 4] експериментально дослщженш профШ стоячих гравiтацiйних двовимiрних хвиль. Показано, що

для даних хвиль мае м1сце система вторинних цирку-ляцшних течш, як1 охоплюють всю товщину рщини.

Найфе [5] використовував метод багатомасштаб-них розвинень для виведення пари диференщальних р1внянь у частинних похщних, як1 описують еволющю хвильових пакет1в скшченно! амплиуди на поверхш контакту двох натвнескшченних рщин з р1зними густинами, враховуючи ефект поверхневого натягу. В результат! було отримано два альтернативш нелшшш р1вняння Шредшгера та дослщжено стшюсть хвильових пакет1в скшченно! амплиуди.

Аналопчна задача про поширення хвильових па-кет1в на поверхш контакту рщкого твпростору 1 рщ-кого шару над ним вивчалась в [6]. Цими авторами дослвджувалась проблема стшкост1 хвильових пакет1в в систем! «шар - твпрост1р» методом багатомасштаб-них розвинень до третього порядку [7]. В статтях, що опублжоваш в останнш час, розглянут1 р1зш аспекти четвертого наближення проблеми еволюцп нелшш-них хвильових пакет1в [8]. Також виведене еволюцшне р1вняння для хвильових чисел близьких до критичного [6], дослщжено стшк1сть розв'язюв указаних р1внянь [7]. Област1 резонансу друго1 гармошки, на-прямок поширення хвиль, форма хвильового пакету в систем1 «шар - твпрост1р» описаш в статт [9].

В приведеному нижче анал1з1 представлен в основному сучасш дослщження. В [10] доведено виникнення вертикальних в1брацш при взаемодп верхньо! рвдини з нижшм селевим потоком. Даш в1брацп обумовлеш гене-руванням внутршшх хвиль в шкноклиш. В робоп [11] в рамках другого наближення теорп м1лко1 води дослвджу-еться поширення внутршшх хвиль в двошаровш рвдиш, яка обмежена зверху 1 знизу. В [12] в рамках катлярх но-грав1тацшно1 постановки дослвджуеться поширення двох хвильових пакепв в одному напрямку але р1зно1 довжини хвиль. Експериментальне дослвдження поширення хвиль в двошаровш рвдиш представлене в [13]. Хвил1 генеруються розрвдженням зверху, що призводить до формування стру1 вздовж дна. В [14] представлен експерименти по поширенню хвиль в двошаровш рвдиш з урахуванням скшчено! товщини поверхш контакту. В [15] отримаш аналиичш розв'язки задач1 про поширення хвиль в кусково-постшнш двошаровш рвдиш, обмежено! зверху 1 знизу жорсткими границями.

Представлене в данш робой дослвдження присвячене анал1зу поширення хвиль в двошаровш рвдкш систем1 скшченно! глибини. Зокрема, в статт виведеш еволю-цшш р1вняння обввдних хвильових пакепв та проведено анал1з форми внутршшх та поверхневих хвиль.

3. ЦЫ та задачi дослщження

Метою проведених дослвджень було отримання яюс-них та юльюсних характеристик поширення внутршшх та поверхневих хвиль в двошаровш систем! «рвдкий шар з твердим дном - рвдкий шар з в1льною поверхнею».

Сформулюемо основш завдання дослщження:

- вивщ еволюцшних р1внянь обввдних хвильових пакет1в для пдродинам1чно1 системи «шар з твердим дном - шар з в1льною поверхнею»;

- анал1з форми хвильових пакет1в на поверхш контакту та на в1льнш поверхш;

- ф1зична штерпретащя результат1в.

4. Постановка та методи дослщження поширення хвиль в системi «рщкий шар з твердим дном - рщкий шар з вшьною поверхнею»

Розглянемо поширення хвильових пакет1в в двошаровш г1дродинам1чнш систем^ яка склада-еться з двох шар1в □1 = {(х^):|х|<~-Ь4 <<0} та □2 = {(х^):|х| <~0 <<Ь2}. Густини шар1в позначи-мо як р1 та р2 ввдповвдно. Дану задачу розглядаемо в плоскому вар1анть Функцп, що описують вщхилення поверхш контакту двох шар1в та в1льно1 поверхш вве-демо як z = п(х^) та z = п0(х^). Наведемо математичну постановку задача

Э2ф ■ Э2ф ■

(1)

—а^^ при z =ап (x,t), (' = 1,2) (2)

Л да Эх Эх

Эпо-Эф, =-аЭпо дф2 при z =ап0 (x,t),

дt дz дt дz

^-рЭ^ + (1 -р )п + 2а^ф )2-2ар (Уф2)2-

(3)

- Т

1+1 а

Эп

"ЭХ"

Л 2 Л2

2 Э2п

Эх

2 = 0 при z =ап (х^), (4)

^ф^2+п +1 а(уФ2 )2 - Т0

z =ап 0(x,t),

Эф1 А к Ь1

—1— = 0 при z = -п1 = —1, дz L

1 +

2

а^П

V Эх ,

2 = 0 при Эх 2

(5)

(6)

тут ф^ 0 = 1,2) потенщали швидкост1 в Qj, п - в1д-хилення поверхш контакту, п0 - вщхилення в1ль-но1 поверхн1, Т та Т0 - коефщ1енти поверхневого натягу на поверхш контакту та на в1льнш поверхш, а - коефщ1ент нелшшност1, р = р1/ р2 - в1дношення густин рщких шар1в. Вважаемо, що коефщ1ент не-л1н1йност1 а значно менший за одиницю, тому дана модель описуе слабконелшшну двошарову систему з дисперс1ею.

Для розв'язування задач1 використаемо метод багатомасштабних розвинень до третього порядку. Представимо шукаш функц11 вщхилення поверхн1 контакту, в1дхилення в1льно1 поверхш та потенщали швидкостей у вигляд1

П(х^) = ^ап 1пп (х0,х1,х2^0^1^2)+ 0(а3),

(7)

П0(хЛ) = ^а n-1non(Хo,Хl,Х2,to,tl,t2)+ 0(а3), (8)

п=1

3

= n-1фJn(Хo,Хl,Х2,z,to,tl,t2) + 0(а3), ] = 1,2, (9)

п=1

де xj = а-'х та tj = (j=0, 1, 2).

3

5. Результати дослщження поширення хвиль в двошаровш гщромехашчнш системi

5. 1. Першi лшшш наближення та ¡х розв'язки

Шдставляючи (7)-(9) у (1)-(6) та прир1внюючи вирази при однакових степенях а, отримаемо три наближення дослщжувано! задача

задача першого наближення (при а0)

ф'1,х0х0 + ф'1да =0 в ^

ПЦо -фд* =0 на z = 0 П01Л -фц* =0 на Z = ^

фщ0 -рф2и0 +(1 -Р)П1 -ТП1,х0х0 =0 на z = 0,

ф21^0 +П01 -Т0П01,х0х0 =0 на Z = ^2,

ф1и = 0 на z = -Ь1. (10)

Задача другого наближення (при а)

ф'2,х0х0 +Фj2,zz = -2флх0х, в

П2Л -ф'2^ = -Пц, -П1,х0 ф'1х0 + П' на Z = 0

П02^0 -фц* =-П0и, -П01,х0 ф21,х0 + Пиф21да на Z = Ь2, ф12-Рф22 +(1 -Р)П2 -ТП2 ,х0х0 =-ф11 , -

+ Р(ф2«, + П1ф21 )-0.5 (ф121,х0 +ф21^ ) +

+0.5р(ф21 хо +ф22и) + 2ТП1 ,х0х, на z = 0,

ф22 ¿0 + П02 - Т0П02х0х0 =-ф21 ,, - П01ф21 ,t0z --°.5(ф21х0 +ф21^ )+2Т0П01,х0х, на Z = Ц

ф12^ = 0 на z = -Ь1. (11)

Задачу третього наближення не наводимо через гром1здк1сть аналиичного запису [16, 17].

Розв'язок задач1 першого наближення (10) одержано у вигляд1 хвиль, що б1жать

П1 = Ле1е+Ле-,е,

ф11 = -™ (Ае'е-Ле-'е ,

к sh(kh1)

ф21 =-

ю^Ь(к(Ь2 - z)) - (к + Т0к3)сЬ(к(Ь2 - z))

ю2сЬ(кЬ2) - (к + T0k3)sh(kh2)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

х(Ле1е- Ле-1е),

П01 =

ю2 сЬ(кЬ2) - (к + Т0к3 )sh(kh2)

пакету Л та обвщною хвильового пакету на в1льнш поверхш Л0

Л0 =-

ю2сЬ(кЬ2) - (к + T0k3)sh(kh2)

-А.

(13)

Шдставляючи розв'язки (12) у динам1чну умову на в1льнш поверхш задач1 першого наближення (10), отримуемо дисперсшне р1вняння

ю2cth(kh1) + рю2 = (1 -р)к + Тк3.

ю2 - (к + Т0к3)сА(кЬ2)

т^^Ь^к^У-(к+Тк3)

(14)

Частинний розв'язок системи (11) будемо шукати у вигляд1, записаному через нев1дом1 коефщ1енти

ф21 = B11(z + + Ь1))е1е+ B10ch(k(z + Ь1))е,е+

+В20 ch(2k(z + Ь1))е21е+сс,

ф 22= (С10 + С^У^1^+С20 е21е+2к(Ь2+ +(Е10 + Е^^18-1^1^+Е20 е21е-2к(Ь2 ^ + сс,

П2 = D0 + D1e1е + D2 е21е+сс,

П02 = F0 + F1 е,е + F2 е2,е+сс,

(15)

де В,', С,', Е,', D1, F1 - невизначеш коефщ1енти, сс - оз-начае комплексно спряжену величину до попередшх вираз1в.

Шдставляючи дал1 (12) та (15) в (11) 1 прир1внюючи вирази при однакових функщях, приходимо до двох незалежних систем р1внянь вщносно шших невщомих коефщ1ент1в.

Система вщносно коефщ1ент1в В10, С10, Е10, D1, F1, отримана прир1внюванням вираз1в при функцп е,е е несум1сною [16], причому 11 умова розв'язуваност1, за умови, що D1 = 0, мае вигляд

Л,. +ю'Лх = 0,

(16)

(Ле1е+Ле-,е), (12)

де Л(х1, х2, tl, t2) 1 Л(х1, х2, ,2) - обвщна хвильового пакету на поверхш контакту 1 комплексно спряжена до обвщно! хвильового пакету А, 8 = кх0 -ю,0, к - хви-льове число центру хвильового пакету та ю - частота центру хвильового пакету. З формул (12) неважко по-бачити зв'язок м1ж обввдною внутршнього хвильового

де ю' = dю/dk - групова швидюсть. В результат! знай-дено неаналиичш вирази для вс1х невщомих коефь щент1в [16]. Нижче наведемо вирази для вщхилення поверхш контакту та в1льно1 поверхш у другому на-ближенш

0.5ю2

П2 = 0ГРХ

1 -р-с.Ь2(кЬ1) + р

+Л е21е Л2 + сс,

п02 =Л0е2,еЛ2 + ^---;-г-+сс.

102 0 ю2сЬ(кЬ2) - (к + Т0к>Ь(кЬ2)

Умова розв'язуваност1 третього наближення мае вигляд

(1 -р)к + Тк3-ю2с.Ь(кЬ1)

рю

ЛЛ+ (17)

0.5ю2 (ю4 - (к + Т0к3)2)

^Л^ + W2Л,X2 + ^^зЛ,х1х1 + W4Л2Л = 0,

(18)

2

ю

де Wi(i = 1,4) коеф^енти, що залежать вщ (k, р, га, h1, h2, T, T0), якi мають досить громiздкий ви-гляд i отриманi за допомогою пакетiв символьних обчислень.

5. 2. Еволюцшш рiвняння обвiдних

Знайшовши вираз для га'' = d2rn/dk , умову розв'язува-ностi третього наближення (18) можна записати у виглядi

At +ra'Ax -0.5rn"Axx = iIA2A. (19)

Частинш похiднi A t, A x, A xx запишемо у виглядi сум

A,t = t«"A,tn + O(a3), A, =

n=1

= tanA,xn + O(a3), Axx =a2AXix, + O(a3), (20)

n=1

де похщш Л^пта Ax визначають внесок члешв порядку an у загальне значення похщних A t та x.

Помножимо спiввiдношення (16) та (19) на a та a2 вщповщно, та додамо одне до одного. Враховуючи (20), отримаемо шукане еволюцшне рiвняння обвiдноi на поверхш контакту двох рщких шарiв

A t +ra'A x -0.5rn"A „ = ia2IA2A.

(21)

Враховуючи стввщношення (13) та використовую-чи рiвняння (21) легко отримати еволюцiйне рiвняння на вiльнiй поверхнi. Воно матиме вигляд

A0t + rn'A0x -0.5rn''A0xx = ia2I0(A0)2 A0,

(га2 ch(kh2) - (k + T0k3 )sh(kh2 ))2 I0 = < I.

(22)

де ¿0 =

Ю'

Таким чином, виведеш еволюцiйнi рiвняння об-вiдних хвильових пакепв на поверхнi контакту та на в^ьнш поверхнi для дослщжувано! задачi [18].

6. Обговорення результаив проведеного дослщження та аналiз форми хвиль

Вщхилення поверхнi контакту враховуючи (7), (12) та (17) можна записати у виглядi

r|(x,t) = 2acos(kx -cot)+aa2 [2B + Лcos2(kx -cot)], (23)

Графжи L1 = 0 та L2 = 0 зображеш на рис. 1 для фжсованого значення товщини верхнього шару Ь2 = 1 i товщини нижнього шару Ь1= 10. Як бачимо, кривi розбивають площину (р, к) на чотири область В областях , S3, S4 - Л(р, к, Ь^ Ь2, Т, Т0)> 0, а в обласи S1 - Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0) <0. Це означае, що в областях, де Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0)> 0, вщбуватиметься затуплення пiдошов та загострення гребешв хвильового пакету, а в областях, де Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0)< 0 - навпаки.

Рис. 1. Обласп знакосталостi Л

На рис. 2, 3 представлеш першi двi гармошки П1(х, t) та П2(х, ^ та вiдхилення вiльно'i поверхнi п(х, t) за таких значень параметрiв а = 0.1, Ь1 = 10, Ь2 = 1, Т0 = 0.001, Т = 0, t = 0, а = 1, р = 0.96, к = 1.96 (рис. 2) та р = 0.1, к = 1 (рис. 3).

Якщо розглядати розв'язок (23) за умови модуля-цшнш стшкоси в момент, коли вже вщбувся баланс ль нiйностi i дисперсп, тодi вщхилення поверхнi контакту (x,t) е сумою двох косинусо!д, амплiтуда першо! гармонiки значно бiльше за амплиуду друго!. Якщо Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0)> 0, то максимуми П^, t) та t) спiвпадають (рис. 2, а), а мжмум П^, ^ накладаеть-ся на наступний максимум t). Отже, в областях S2, Sз, S4 хвиля мае и-образну форму, як на рис. 2, б. Як бачимо на рис. 2, б накладання мiнiмумiв першо! гармошки та максимумiв друго! гармошки призводить до затуплення тдошов та загострення гребешв.

де

п 0.5га2

B =-х

1 -Р

1 -p-cth2(kh1) +р

(1 -p)k + Tk3-ra2cth(kh1)

рга

Видно, що для визначення форми поверх-нi контакту т^Л) важливий знак коеф^енту

Л(р, к, Ь1, Ь2,Т, Т0) = —, який е дробом [17]. Знак вели-L2

чини Л змiнюеться за умови переходу через криву L1=0, вздовж яко! Л(р, к, Ь1, Ь2, Т,Т0)=0, або при переходi через криву L2 = 0, вздовж яко! Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0) .

X 10

Рис. 2. Вщхилення noBepxHi контакту при Л(р,k,h1,h2,T,T0)> 0: а - першi двi гармонiки n1(x,t) та n2(x,t); б - n(x,t) = n1(x,t)+an2(x,t)

а

Якщо Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0) <0, то максимум п1(х, .) ствпадае з м1шмумом п2(х,.) (рис. 3, а), а м1шмум П1(х, .) ствпадае з наступним м1шмумом п2(х, ,). Таким чином, в област1 S1 поверхня контакту п(х, .) мае П-образну форму (рис. 3, б). Отже, накладання мшь мум1в перших двох гармошк веде до загострення тдо-шов та затуплення гребешв.

Рис. 3. Вiдхилення поверхш контакту при Л(р,к,Ь1,Ь2,Т,Т0) <0: а - першi двi гармошки r|i(x,t) та n2(x,t); б - n(x,t) = n1(x,t) + an2(x,t)

Рiвняння, яким визначаеться форма хвильово-го пакету на в1льнш noBepxHi

n0(x,t) = 2a0 cos(kx -cot) + +a(a0 )2 [2B0 + Л0 cos 2(kx - cot)],

де a =

c

ra2 ch(kh2) - (k + T0k3 )sh(kh2)

a,

B =-

0.5ю2 (га4 - (k + T0k3)2) ra2 ch(kh2) - (k + T0k3 )sh(kh2)'

Як бачимо, крив1 розбивають площину(р, к) на шкть областей. В областях Sl, Sз, S5 - Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0)> 0, а в областях S2, S4, Sg - Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0)< 0.

Якщо Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0) <0, то максимум п01(х, .) ствпадае з м1тмумом п02(х,.), а м1тмум п01(х,.) ствпадае з наступним мш1мумом п02(х,,). Таким чином, в областях S2, S4, Sg поверхня контакту п0(х, .) мае П-образну форму.

Якщо Л(р, к, Ь1, Ь2, Т, Т0) > 0, то максимуми п01(х, .) та п02(х, .) ствпадають, а м1тмум п01(х, .) накладаеть-ся на наступний максимум п02(х, ,). Отже, в областях S1, S3, S5 хвиля мае У-образну форму.

Рис. 4. Обласп знакосталостi Л0

7. Висновки

(24)

Як i в випадку поверхш контакту, на вшьнш поверх-Hi для визначення форми вшьно'! поверхнi n0(x,t) важ-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

M1

ливий знак величини Л(р, k, h, h„, T, T„) = —-, який

°VK, > ^ 2> > м2

змiнюеться за умови переходу через криву Mi=0, вздовж яко1 Л0(р, k, h1, h2, T, T0)=0, або при переходi через криву M2=0 вздовж яко! Л0(р, k, h1, h2, T, T0) Графiки M1 = 0 та M2 = 0 зображенi на рис. 4 для фжсованого значення товщини верхнього шару h2 = 1 i товщини нижнього шару h1= 10.

Шд час анал1зу поширення хвильових пакет1в в двошаровш пдродинам1чнш систем1 «шар з твердим дном - шар з в1льною поверхнею» були отримаш еволю-цшш р1вняння обвщних хвильових пакет1в на поверхш контакту двох рщких шар1в та на в1льнш поверхш. Ви-ведеш еволюцшш р1вняння е нелшшними р1вняннями типу р1вняння Шредшгера другого порядку.

Анал1зуючи форму внутршшх та поверхневих хвиль було виявлено вплив урахування другого наближення, що призводить до появи областей, в яких хвил1 мають р1зну форму. Так, наявш обласп, в яких е затупленою тдошва та загострений гребшь, а також обласп, де спо-стер1гаеться протилежна картина. В1дм1тимо, що даш ефекти ввдповвдають натурним спостереженням.

Лиература

1. Доценко, С. Ф. Связь образования волн-убийц и метеорологических условий в северо-западной части Черного моря [Текст] / С. Ф. Доценко, В. А. Иванов, Ю. А. Побережный // Доповщ НАН Украни. - 2010. - № 12. - С 105-109.

2. Доценко, С. Ф. Анализ двумерного распространения волн цунами из эллиптического очага в прямолинейный канал [Текст] / С. Ф. Доценко, Н. К. В. Санникова. - МГИ НАН Украины, 2011. - С. 419-428.

3. Килиниченко, В. А. Экспериментальное исследование волн Фарадея максимальной высоты [Текст] / В. А. Килиниченко, С. Я. Секерж-Зенькович // Изв. РАН МЖГ. - 2007. - № 6. - С. 103-110.

4. Килиниченко, В. А. Экспериментальное исследование вторичных стационарных течений в поверхностных волнах Фарадея [Текст] / В. А. Килиниченко, С. Я. Секерж-Зенькович // Изв. РАН МЖГ. - 2008. - № 1. - С. 141-148.

5. Nayfeh, A. H. Nonlinear propagation of wave-packets on fluid interface [Text] / A. H. Nayfeh // Journal of Applied Mechanics. -1976. - Vol. 43, Issue 4. - P. 584-588. doi: 10.1115/1.3423936

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

V

Селезов, И. Т. Структура нелинейных волновых пакетов на поверхности контакта жидких сред [Текст] / И. Т. Селезов, О. В. Авраменко // Прикладна гщромеханика. - 2002. - Т. 4 (76). - С. 3-13.

Селезов, И. Т. Устойчивость волновых пакетов в слоистых гидродинамических системах с учетом поверхностного натяжео

ния [Текст] / И. Т. Селезов, О. В. Авраменко // Прикладна гщромеханика. - 2001. - Т. 3 (75), № 4. - С. 38-46.

Селезов, И. Т. Эволюционное уравнение третьего порядка для нелинейных волновых пакетов при околокритических волс

новых числах [Текст] / И. Т. Селезов, О. В. Авраменко// Динамические системи. - 2001. - Вып. 17. - С. 58-67.

Селезов, И. Т. Эволюция нелинейных волновых пакетов в гидродинамической системе «слой-полупространство» с учетом

поверхностного натяжения [Текст] / И. Т. Селезов, О. В. Авраменко // Математичш методи та ф1зико-мехашчш поля. -

2001. - Т. 44, № 2. - С. 113-122.

Vincze, M. Amplified internal pulsations on a stratified exchange flow excited by interaction between a thin sill and external seiche [Text] / M. Vincze, P. Kozma, B. Gyure, I. M. Janosi, K. G. Szabo, T. Tel // Physics of Fluids. - 2007. - Vol. 19, Issue 10. - P. 108108-1-108108-4. doi: 10.1063/1.2796182

Макаренко, Н. Н. Асимптотические модели внутренних стационарных волн [Текст] / Н. Н. Макаренко, Ж. Л. Мальцева // Прикл. механика и тех. фiзика. - 2008. - Т. 49, № 4. - С. 151-161.

Debsarma, S. Fourth-order nonlinear evolution equations for a capillarygravity wave packet in the presence of another wave packet in deep water [Text] / S. Debsarma, K. P. Das // Physics of Fluids. - 2007. - Vol. 19, Issue 9. - P. 097101-1-097101-16. doi: 10.1063/1.2772252 Carr, M. The motion of an internal solitary wave of depression over a fixed bottom boundary in a shallow, two-layer fluid [Text] / M. Carr, P. A. Davies // Physics of Fluids. - 2006. - Vol. 18, Issue 1. - P. 016601-1-016601-10. doi: 10.1063/1.2162033 Sutherland, B. S. Intrusive gravity currents propagating along thin and thick interfaces [Text] / B. S. Sutherland, J. T. Nault // Journal of Fluid Mechanics. - 2007. - Vol. 586. - P. 109-118. doi: 10.1017/s0022112007007288

Haciyev, B. I. Unstationary waves in two-layered fluid caused by normal loading at the interface [Text] / B. I. Haciyev // Proc. IMM (Inst. Mathematics and Mechanics) NAS of Azerbaijan, 2006. - P. 119-126.

Селезов, И. Т. Нелинейное взаимодействие внутренних и поверхностных гравитационных волн в двухслойной жидкости со свободной поверхностью [Текст] / И. Т. Селезов, О. В. Авраменко, Ю. В. Гуртовый, В. В. Нарадовый // Мат. методи та ф1з.-мех. поля. - 2009. - Т. 52, № 1. - С. 72-83.

Селезов, И. Т. Математические методы в задачах распространения и дифракции волн [Текст] / И. Т. Селезов, Ю. Г. Кривонос. - К: Наукова думка, 2012. - 232 с.

Naradovyy, V. Interaction of internal and surface waves in two-layer fluid with free surface [Text] / V. Naradovyy // Challenges of Modern Tehnology. - 2013. - Vol. 3, Issue 4. - P 103-106.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.