Гидродинамические аналогии в численном конформном отображении и исследование проницаемых профилей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ
|
Смирнова, Татьяна Николаевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Чебоксары
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2000
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Чувашский государственный университет имещ^И.Н.^/эдянова
УДК 532.5 1 ~ ; .'•.:■; LOI
На правах рукописи
Смирнова Татьяна Николаевна .
У
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ В ЧИСЛЕННОМ КОНФОРМНОМ ОТОБРАЖЕНИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОНИЦАЕМЫХ ПРОФИЛЕЙ
01.02.05 — механика жидкости, газа и плазмы
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Чебоксары — 2000
Работа выполнена на кафедре прикладной и дискретной математики Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова
Научный руководитель:
заслуженный деятель науки ЧР, доктор физико-математических наук, профессор А.Г. Терентьев
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Д.В. Маклаков
кандидат физико-математических наук, доцент В.Н. Васильев
Ведущая организация:
Кемеровский государственный университет
Защита состоится 21 апреля 2000 г. в </0 часов на заседании диссертационного совета К 064.15.02 в Чувашском государственном университете им. И.Н. Ульянова по адресу: 428015, г. Чебоксары, Московский проспект, Д. 15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Чувашского государственного университета.
Автореферат разослан марта 2000 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент В.В. Никитин
Общая характеристика работы.
Диссертационная работа посвящена разработке алгоритмов численного конформного отобрагкения при помощи метода граничных элементов как ограниченных, таг. и неограниченных областей конечной связности на канонические области и их применения к задачам гидродинамики.
Актуальность темы. Известно, что многие задачи гидродинамики наиболее просто исследуются по следующей схеме: конформное отображение физической области на некоторую каноническую область вспомо-шателыюй плоскости, в которой аналитически решается исходная задача. При этом основной трудностью является построение конформно отображающей функции. Поэтому составление эффективного алгоритма численного конформного отобрагкения заданной области на какую-либо каноническую представляет собой практический интерес.
Целью диссертационной работы является разработка метода численного отобрагкения областей конечной связности на канонические, а также алгоритма построения такого отображения на основе метода граничных элементов (МГЭ) и их применение к задачам гидродинамики плоских течений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) на основе аналитических решений, выраженных через тэта-функции Якоби, дан алгоритм расчета конформного отображения внешности двух разрезов на внутренность прямоугольника и проведены многочисленные числовые расчеты;
2) построен алгоритм численного конформного отображения конечных, а также бесконечных областей заданной связности на некоторые канонические области с использованием МГЭ;
3) численно-аналитически решена задача безотрывного обтекания одиночного профиля с проницаемыми участками безграничным потоком идеальной несжимаемой жидкости;
4) аналитически решена задача обтекания проницаемой пластины вблизи экрана;
5) численно-аналитически решена задача безотрывного обтекания проницаемого профиля вблизи экрана потоком идеальной несжимаемой жидкости.
Достоверность результатов работы обеспечивается применением строгих математических методов, сравнением результатов численных расчетов с различными предельными решениями, а также сравнения с известными точными аналитическими решениями.
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при численном конформном отображении, а также в теории проницаемых профилей и при проектировании крыловых профилей.
Апробация работы. Основные результаты диссертации по мере их получения докладывались и обсугкдались на Международной научной конференции "Optimization of Finite Element Approximations" (г. С.-Петербург, 1995 г.); на МегкдународноП научно-технической конференции "Актуаль-
ные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении" (г. Казань, 1995 г.); на научной конференции "Динамика сплошных сред со свободными границами", посвященной 60-летию заслуженного деятеля науки Чувашской Республики, академика НАНИ 4P, профессора А.Г. Терентьева (г. Чебоксары, 1996 г.); на VI Всероссийской научной школе "Гидродинамика больших скоростей" (г. Чебоксары, 1996 г.); на Всероссийской научной конференции "Краевые задачи и их приложения" (г. Казань, 1999 г.); на Международной конференции "Моделирование, вычисления, проектирование в условиях неопределенности - 2000" (г. Уфа, 2000 г.); на научном семинаре "Взаимодействие сплошных сред" под руководством профессора А.Г. Терентьева в г. Чебоксары.
Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ. .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 103 наименований. Главы разбиты на параграфы, общее число которых 12. Работа изложена на 128 страницах, содержит 93 рисунка и 23 таблицы.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы и цели диссертации, дан обзор литературы по затронутым вопросам, кратко изложено содержание работы и сформулированы основные результаты, выносимые на защиту. Разработке численных методов конформного отображения посвящены работы М.А. Лаврентьева, Б.В. Шабата, П.Ф. Фильчакова, В.П. Фильчако-вой, Л.В. Канторовича, М.В. Келдыша, A.JI. Кудрявцева, Г.А. Николаевой, П.В. Мелентьева и многих других авторов. В диссертации основное внимание уделено составлению алгоритмов построения конформно отображающих функций на основе метода граничных элементов и их применению в теории проницаемых профилей. Исследование проницаемых профилей отражено в трудах Н.Б. Ильинского, A.M. Елизарова, A.B. Поташева, А.И. Некрасова, A.B. Галанина, А.Г. Терентьева, В. Проснака, П. Кухарчи-ка, Д.В. Маклакова.
Первая глава посвящена построению в явном виде функций, конформно отображающих некоторые двусвязные области на прямоугольник. Полученные результаты использованы в последующих двух главах. Общий вид функций, отображающих двусвязные области на прямоугольник полу-. чен Л.И. Седовым, М.В. Келдышем, В. Коппенфельсом, Ф. Штальманом. Частные случаи рассмотрены А.Г. Терентьевым, A.B. Галаниным, В. Про-снаком, A.B. Кузнецовым, В.Н. Васильевым.
В § 1 рассмотрена задача отыскания функции, конформно отображающей плоскость с двумя параллельными разрезами на параметрический прямоугольник с вершинами в точках 0, тг, я + пт/2, пт/'2 (г = it - чисто мнимое число). Показано, что эта функция может быть представлена в виде:
Ф) = (А + + (А - Щ + C+iD, (1.1)
ици— ш) уци + гсг)
где га - образ бесконечно удаленной точки плоскости г; - тэта-
'функция Якоби.
У
Л2
©
Ч
з В2
Аг 1
В1
га 1
О
О
©
3
«2
О! 61 2
£
Рис. 1.1
Рис. 1.2
Из условий нарушении конформности отображения (1.1) в точках А\, £?1, А2, В2 и геометрических условий найдены десять неизвестных параметров 01, 61, а2, ¿>2, с, i, А, В, С, Б.
Случай двух произвольно ориентированных отрезков рассмотрен в § 2. Функция, отображающая внешность двух разрезов на прямоугольник, имеет вид: _
4.0 и*Vе*<д- <2Л>
!?х(и — гсгрЦи + га)
Здесь га и /? = + г/?2 ~ образы бесконечно удаленной точки плоскости г и точки пересечения прямых, проходящих через заданные отрезки .Л1В1 и Л2В2. Как и в предыдущем случае, из условий нарушения конформности отображения (2.1) в точках А\, В\, А2, Вг и геометрических условий найдены двенадцать неизвестных постоянных а1, <12, ¿2, а, t, /?1, /?2, А, В, С, И.
гаг
©
3
а2 Ь2
<»1 Ьх 2
£
Рис. 2.1
Рис. 2.2
В $ 3 рассмотрены два частных случая отобрагкения верхней полуплоскости с разрезом на прямоугольник.
1. В случае разреза, непараллельного действительной оси, отображающую функция записывается в виде:
.-(«) = С Щ^) . (3.1)
1' V ад ы») )
Из условий нарушения конформности отобрагкения (3.1) в точках А и В и
4
л
X
У
геометрических условий определены неизвестные параметры а, Ь1 С, I.
©
4 этг 2
©
В л 3
ь а
2
€
Рис. 3.1 Рис. 3.2
2. Отображение верхней полуплоскости с горизонтальным разрезом на прямоугольник осуществляется с помощью функции
•20
. +о) ,, „
где п0 =1ип С—_ . .— — С а. Полуплоскость с горизонтальным разрезом а-*0 1?4(а)
имеет гидродинамический смысл, а именно, она совпадает с областью изменения комплексного потенциала бесциркуляционного обтекания наклонной пластины вблизи стенки.
В § 4 рассмотрено отображение области В2 - верхней полуплоскости с незамкнутым разрезом на прямоугольник.
В,
112
4НЗ
А~
1
А+ Л
®
4 3
© а Ь
2 1 2
0 , <Р Рис. 4.1
Отображающая функция имеет виде:
7Г
Рис. 4.2
(4.1)
Длина верхнего берега ВА+ равна 1+, а нижнего ВА~ - . Область Дг имеет гидродинамическую аналогию с областью изменения комплексного потенциала циркуляционного обтекания профиля вблизи экрана. Разность — 1~ совпадает со значением циркуляции Г по контуру С2. Из геометрических условий определены три неизвестных постоянных С,а, г.
Результаты числовых расчетов предыдущих параграфов представлены
п виде таблиц и графинов
Вторая глава посвящена численному построению отображающих функций. Предложен численный алгоритм построения функции W(z) = Ь(г) + IV(г), реализующей конформное отображение одноевпзных (ограниченных и неограниченных) и двуевлзных (неограниченных) областей на некоторые канонические области с использованием метода граничных элементов. В данной работе рассматриваются постоянные граничные элементы.
В § 5 кратко излагается суть МГЭ, состоящая в преобразовании дифференциального уравнеЕшп в частных производных в интегральное уравнение, определяющее только граничные значения и численного решения этого уравнения 2. Применение обобщенного интегрального соотношения Грина к действительной и мнимой частям аналитической в области Б2 функции IV (г) — и (г) + i приводит к двум интегральным уравнениям:
ФМ-0 + / = I (5-1)
с, с,
ф)#г) + I ф{1)вп{г,1)аз{г) = I фп(1)С(г,^8(1), (5.2)
с, с,
где Сг - граница области Ог \ = ^ 1п |™7| _ функция Грина двумерного уравнения Лапласа, : 6 Ог и < € С2. Множитель ф) зависит от расположения точки 2 и поведения в ней границы С2 и равен сф)/(2я-). Здесь ш(г) - величина внутреннего угла односторонних касательных к контуру Сг в точке г. Буквенными индексами обозначены частные производные соответствующих функций по единичной внешней нормали тг к Сг. Контур Сг обходится так, что область остается слева.
Следует заметить, что эти интегральные соотношения справедлив^ лишь для однозначных и дважды дифференцируемых функций и (г) и 1ф). Во многих задачах искомые функции могут иметь определенные особенности как внутри области (г = а), так и на границе (г = с), а также в бесконечно удаленной точке. Поэтому в диссертации используются обобщенные соотношения Грина, полученные А.Г. Терентьевым 3. Формулы (5.1), (5.2) в этом случае принимают вид
фМг) + I ¥>(*)<?„(*, <)<*«(*) = I рл(*№.*)<Ц0 +ДеВД. (5-3)
с, с.
1Все числовые расчеты диссертации проводились в математическом пакете программ МаШСас! 2.5
20реббиа К., Теллес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987. 524 с.
3Терентьев А.Г. Численное исследование в гидродинамике // Изв. АН ЧР.
1994. Вып. 1. № 2. С. 61-84.
фЩг)+ Jr|,{t)Gn(г,t)d8{t)= I фп(1)С(г,г)с1з11) + 1тР{г), (5.4 о, с,
т П А гл
+ + (5.5)
где функция (5.5) учитывает все особенности
В § 6 кратко изложена методика дискретизации МГЭ:
1) граница С2 заменяется многоугольником, стороны которого называются элементами; длина к-то элемента обозначается через I/,;
2) на каждом элементе искомая функция аппроксимируется специальным образом.
В данной работе использованы постоянные элементы, т.е. искомая функция считается постоянной и равной ее значению в середине элемента.
Используя эту методику, уравнения (5.3), (5.4) можно переписать в матричном виде:
Нц = {
H<p = B<pn + fll Нф = Вфп + /г, (6.1)
= [ Gn(z,t)ds(t), Bij = [ G(z,t)ds(t), г, * = J, J J
Нц + £:
Cj C,
здесь i,j = 0,7V, (/), ф, (рп, трп - вектор-столбцы значений потенциала, функции тока и их нормальных производных в узлах границы; /i,
/2 - вектор-столбцы значеннй действительной и мнимой части функции F(z) (5.5) в контрольных точках.
В этом параграфе приведены также точные формулы расчета компонентов матриц Ни В для случая постоянных и линейных элементов 4.
В § 7 рассмотрено отображение ограниченных односвязных областей Дг (с границей Сг) на канонические области Dw (с границей Cw).
Если Dw - плоскость с горизонтальным разрезом или верхняя полуплоскость, то мнимая часть отображающей функции принимает постоянные значения на Сг. Следовательно, задача конформного отображения сводится к задаче Дирихле для функции V(z) с граничным условием V{z) = const, 2 6 Сг или к задаче Неймана для функции U(г) с граничным условием
7.1. Отображение на плоскость с горизонтальным разрезом.
Пусть Dw - плоскость с горизонтальным разрезом и в качестве условий нормировки выбраны следующие соотношения:" W[za) = "М, ¡¡а € Сг, wa € Си,; РУ(го) = 00, 20 € Dz. В этом случае отображающую функцию можно рассматривать как комплексный потенциал течения (в замкнутой
^Терентьев А.Г., Афанасьев К.Е. Численные методы в гидродинамике / Учеб. пособие. Чебоксары: Изд-во чуваш ун-та, 1987. 80 с.
области), индуцированного диполем, расположенным во внутренней точке г0. Функция имеет простой полюс в точке = х0 + гу0 и выражение (5.5) принимает вид Р(г) = где параметры а и Ь заранее
А,
неизвестны. При этом соотношения (5.3) и-(5.4) имеют вид:
с,
/ С,
v(t)G{z,t)ds{t) = -ag{z) + bf{z),
(7.2)
m =
XQ
Здесь v(s)
(ж -ж0)2 + {у-уо)2 dV(s) ÔU{s)
д{*) =
У -2/0
dn
ds
(X - XQ)- + {y - Уо)2'
; s - дуговая абсцисса.
•>6 С,
1
На рис. 7.1 показана зависимость U = U{s/2tt) для окружности (s - дуговая абсцисса) и- различных z0 : (1) - za = 0; (2) - zq = 0.5 + 0.5 г; (3) - Zq — 0.5. Считается, что РУ(1) = 1; W{z0) = со. Сплошные кривые соответствуют распределению потенциала, полученного аналитически, а геометрическими значками - с помощью МГЭ.
о.о
0.5 в/2п
Рис. 7.1
0.0
0.5 8/L
Рис. 7.2
1.0
На рис. 7.2 представлен график зависимости и = и^/Ь) для эллипса {х/а)2+(у/с)2 = 1 с соотношением полуосей Ь = с/а (« - дуговая абсцисса, Ь - длина эллипса) и г0 = 0. Считается, что №(1) = 1; №(га) = со. Известно, что функция, отображающая внутренность эллипса на внешность разреза [0,1], не может быть выражена с помощью элементарных функций.
7.2. Отображение на верхнюю полуплоскость. Пусть Ош -верхняя полуплоскость 1т(ю) > 0 и в качестве условий единственности взяты такие соотношения: IV(га) — и>д, И^а) = и>в, = при-
чем гА, zв, £ Сг\ гид, ив € Си, и 1т{юА) = 0, 1т(ьзв) = 0. В этом случае отображающую функцию можно рассматривать как комплексный
1.3
потенциал течения (в замкнутой области), индуцированного диполем, расположенного в граничной точке гс- Функция имеет простой полюс в
— " + ib - 2(r - zcj
, где
точке гс = хс +гус и выражение (5.5) примет вид: Р(г)
параметры а, Ь заранее неизвестны.
Интегральные соотношения (5.3) и (5.4) аналогичны уравнениям (7.1), (7.2), где функции /(г) и д(г) в правой части будут иметь вид:
X - Хс
2[(х - хс)2 + (у - Ус)'
г- si*) =
У-ус
2{(х-хсР + (у-ус)2]'
На рис. 7.3 показана зависимость и — II{в/Ък) для окружности |г| = 1 (й - дуговая абсцисса) при различных положениях точек ■
(1) : гд — 1, 2В=», ¿с = 1; (2) : гЛ = 1, гв =-0.6 + 0.8», гс = -0.31 + 0.95«;
(3) :гА=1, гв = -0.6 + 0.8», гс = -г.
Считается, что 1¥(гА) = 0, IV (г в) = 1, №(гс) — оо. Сплошными кривыми представлено решение, полученное аналитически, а геометрическими значками - с помощью МГЭ.
0.5 к/2п 1.0 -1.0 0.0 U 1.0
Рис. 7.3 Рис. 7.4
На рис. 7.4 приведены результаты численного конформного отображения прямоугольника с вершинами Ai(K), А2{К + НС), Аз(—К + НС), А^{—К) на верхнюю полуплоскость (вершинам соответствуют точки a^l), a2(l/¿), оз(—1/i), a4(— 1), а точке В(ПС) - бесконечно удаленная точка) для различных соотношений сторон Ь. Непрерывным кривым соответствует зависимость абсциссы на нижней стороне прямоугольника X(U). Принимая постоянную h (0 < k < 1) заданной, размеры прямоугольника можно выбрать следующим образом:
К
i /
dt
>/(1-*2)(1
К
i/к
-Л
dt
- 1)(1 - кч2)
D § 8 рассмотрено отображение неограниченных областей на плоскость с горизонтальным разрезом [u>b,u>a]- Пусть Dz - внешняя область по отношению к замкнутому контуру Cz и выполнены следующие условия нормировки: W(zA) — wA,zA 6 Cz,wA £ Сш\ И^оо) = оо. В этом случае отображающую функцию W(z) можно интерпретировать как комплексный потенциал бесциркуляционного обтекания контура Cz, который ведет себя при z —у со как сумма F(z) = В0 + B\z:
£?0 = «0-fii>0, В\ = dW(z)/dz = ai — ib\, z —> oo
где oo, bo, ai, i>i заранее неизвестны, причем aj и 6i представляют собой компоненты скорости потока на бесконечности. Величина и направление скорости набегающего потока на бесконечности равны соответственно
Voo = Jal + bl, у - arctg —. (8.1)
v <U
Тогда (5.1) и (5.2) имеют вид:
0.5£ф) + J U(t)Gn(z,t)ds(t) =а1х + Ъ1у+а0, (8.2)
с.
j v(t)G{z,t)ds{t) = aiy~bix + b0. (8.3)
с, .
Задачу можно решить, используя одно из уравнений (8.2) или (8.3), однако совместное их использование повышает точность расчетов.
В § 9 изложен численный алгоритм построения функции W(z) = U(z) + iV(z), конформно отображающей Dz - внешность двух замкнутых контуров С\ и Со на область Ьш - плоскость с двумя параллельными разрезами Li и L2. Функцию W(г) можно рассматривать как комплексный потенциал бесциркуляционного обтекания системы двух профилей. В этом случае мнимая часть V(z) принимает постоянные значения на. Ci и С2. Следовательно, задача конформного отображения сводится к задаче Дирихле для функции V(z) с граничными условиями V(z) = Vi = const, z £ C\ и V(z) = = const, z € C2 или к задаче Неймана для функции U(z) с граничными условиями
Пусть выполняются следующие условия нормировки: W(zA) — wA, zAeCi, wa€Li и W(oo) = oo.
Здесь F(z) — z и интегральные соотношения (5.3) и (5.4) примут вид:
0.5 U(z) + J U(t)Gn(z, t)ds(t) + J U(t)Gn{z, t)ds(t) = x, (9.1)
С i Сi
j v{t)G{z,t)ds{i)+ j v{t)G{z,t)ds{t) = y+{l;; если i G (9"2)
C, Ci
где ai,ß2 - неизвестные, равные постоянным значениям V{z) на контурах Ci и Сг соответственно; d = - аг|- - расстояние между разрезами. Для численного решения уравнение (9.2) дополняется условиями равенства . нулю циркуляции скорости по контурам С\ и Сп
ЛЧ N
¿=0 «=Afi
Третья глава посвящена приложению численного конформного отображения к задачам обтекания проницаемых крыловых профилей идеальной несжимаемой жидкостью. Аналитическое исследование проницаемых профилей дано в работах L.C. Woods 5 и A.M. Елизарова, Н.Б. Ильинского и A.B. Поташева б.
В § 10 предлагаются численные алгоритмы для расчета аэродинамических характеристик проницаемого крылового профиля с заданным распределением нормальной скорости на границе.
Пусть через участок (sm,sn) контура Сг с заданной нормальной скоростью vn = q(s) происходит протекание жидкости: отсос жидкости из основного потока (q{s) < 0) или выдув жидкости в основной поток (q(s) > 0). Здесь s - дуговая абсцисса, отсчитываемая от s = 0 в задней кромке против часовой стрелки до s = L в той же точке (L -длина контура профиля). В данной работе считается, что при выдуве константы Бернулли в основном потоке и в вытекающей жидкости одинаковы, хотя в реальном процессе они могут отличаться друг от друга. Аналитическое исследование задачи выдува жидкости с разными константами Бернулли было проведено Д.В. Маклаковым 7.
Поскольку для проницаемого профиля потенциал скорости и функция тока являются неоднозначными функциями, то непосредственно применить метод граничных элементов для решения нельзя. Здесь можно предложить численный алгоритм, состоящий из трех этапов.
1. Численное конформное отображение внешности профиля на плоскость комплексного переменного ш = ip + i-ф с замкнутым разрезом [—1,1] с использованием численных процедур § 7. Отображающая функция имеет гидродинамическую аналогию с бесциркуляционным обтеканием непроницаемого профиля. Направление -у и величина г/оо набегающего потока не фиксируется, а определяется р процессе вычислений (8.1). Для чнсленного решения можно использовать каждое из уравнений (8.2) и (8.3). В качестве тестовой задачи проведено сравнение значений скорости на профилях Жуковского с заостренной (рис. 10.1) и закругленной (рис. 10.2) задней
5Woods L.C. The theory of subsonic plane flow. Cambridge, Univ. Press, 1961. 594 p.
6Елизаров A.M., Ильинский Н.Б., Поташев A.B. Обратные краевые задачи аэрогидродинамики. М.: Наука, 1994. 436 с.
7Maklakov D.V. Influence of jet blowing on the aerodynamic characteristics of airfoils // German-Russian Symposium "Airfoil Design for Wings with Boundary-Layer Control'1, Stuttgart, Germany. 15-17 April. 1998.
преТе^.е^ко^ст!?'3. " Р"С' 10'4 не"ЫЙми кривыми показ! чЕг^п 1?п р ' полУче™ое аналитически, символами □ численно решением уравнения (8.3), а значками О - (8.2).
0.5 V 0.0
-0.5
1.0. У
о.в 0.0
-2.5
-1.8 -0.5
Рис. 10.1
0.5
1.5
0.0
-1.5
0 А
í
1 ■
0.0
1.5 3.0
Рис. 10.3
£ 4.5
<■5 3.0
Рис. 10.4
£ 4.5
кппм1пТп«о Примероэ следует, что для профиля с закругленной задней оР °мп знач^нип"(рис ТоТ) Т™4"™ -впада.ошие^ежду'собГГс
л™ значения (рис. 10.4). Однако в случае заостренной задней коом ;г.^и-Тз™оТ ЯВЛЯеТС" аЛГОР»™' ь1Й „ГрЙешеРС
на плоскости и, с разрезом
т ! °ТЬ " внешность единичного круга. Можно устано
един; иного ко у г а ГД"" ЗНаЧеН"еМ П°ТеНЦИаЛа » ^ " точками
единичного круга плоскости комплексного переменного С = ? + и/:
г. = ^агссозу,-, 'Л - < О,
агссоэ !р{, <р{ > 0.
1 2тг
нон и ческой о^ла^сти.0 ^ кой задачи в указанной ка-
П г,^пЫаТрИВаЮТСП ДВа случая Распределения источников (стоков!-
е. на
Скорость основного потока на бесконечности
в плоскости С запишется
% 'V*
С,—»оо
(1\у
Лх
¿2 ¿11)
{скЛ
= ^оо
е'т.
о случае непрерывного распределения источников (стоков) комплекс-лыЛ потенциал обтекания кругового цилиндра с проницаемой дугой (ту„, т„) имеет вид:
/ ФИ)
где 1>то = цилиндре
2ис
Уоо = 1. Отсюда при С = е,т определяется скорость на
Г 1 Г
5(г) = -25оо зш(т + 7) + — + — I ф(т))
^с^г (10.1)
и значение циркуляции
Га
/(/я]Т1 т
Интеграл в (10.1) понимается в смысле главного значения по Коши.
Скорость на профиле С2 является сложной функцией и записывается в виде:
7(в)=€(г(4))«(в)^. (10.2)
В качестве примера рассмотрено безотрывное обтекание профиля Жуковского с проницаемыми участками потоком идеальной несжимаемой жидкости. На рис. 10.5 н рис. 10.6 показаны конфигурации профиля Жуковского с отсосом и выдувом (символы Л и □ означают стоки и источники соответственно). Количество жидкости, протекающей через проницаемые участки в первом и во втором случае примерно одинаковы. На рис. 10.7 и рис. 10.8 непрерывными кривыми с символами о показано распределение скорости на непроницаемом профиле, полученное по точным формулам; сплошными кривыми - значение касательной скорости на проницаемом профиле, найденное аналитически, а геометрическими значками О и • -численно для дискретного и непрерывного распределения источников (стоков). Ниже приведены значения циркуляции скорости по непроницаемому контуру (Г), а также по проницаемому для дискретного (Гд) и непрерывного (Г„) распределения источников (стоков).
ф) = -1; Г = -2.785; Гд = -3.467; Г„ = -3.466. ф) = 1; Г = -2.785; Гд = -3.989; Г„ = -3.985.
Из этих примеров следует, что при иаличиц на контуре источников или стоков абсолютна)! величина циркуляции по профилю увеличивается но сравнению с непроницаемым контуром.
-з.о
г.а
3.0 1.0 S
-3.0
о.о
1.0 г.о з.о 4.0 S
Рис. 10.7 Рис. 10.8
Обтеканию проницаемой пластины, расположенной вблизи экрана, посвящен §11.
Через проницаемый участок (sm, sn) с заданной нормальной скоростью v„ = q(s) происходит протекание жидкости: отсос из основного потока (q(s) < 0) или выдув жидкости в основной поток (q($) > 0). Здесь s -дуговая абсцисса, отсчитываемая от s = 0 в задней кромке против часовой стрелки до s = L в той же точке (L, - длина контура профиля.)
Предложен аналитический способ решения задачи, состоящий из двух этапов.
1. Аналитическое отображение области течения на внутренность прямоугольника с использованием алгоритмов § 3.
2. Аналитическое решение гидродинамической задачи в прямоугольнике. Распределение скорости на пластине можно найти:
0.0
1.0
с»
i J vWln'W-t)dt + F(Z)
(11.1)
F(Z) = Со + Ci \n' ¿>4(0 + C, ln" МО.
Со.СьСг - постоянные коэффициенты, значения которых определяются в ходе численных расчетов; (¿т + кт/2, + ггг/2) - образ проницаемого участка на верхней стороне прямоугольника; а функцию можно определить аналитически (§ 3).
В § 12 исследуется обтекание произвольного проницаемого профиля вблизи экрана, что эквивалентно обтеканию системы двух профилей, расположенных симметрично относительно экрана.
Поскольку для системы двух проницаемых профилей потенциал скорости и функция тока являются неоднозначными функциями, то непосредственно применить метод граничных элементов нельзя. В данной работе предлагается численный алгоритм, состоящий из трех этапов.
1. Численное конформное отображение внешности двух профилей на плоскость с двумя незамкнутыми разрезами, которое имеет гидродинамическую аналогию с циркуляционным обтеканием двух непроницаемых крыловых профилей. В данном случае используются численные процедуры, аналогичные § 9 (уравнение (9.2) дополняется условиями схода потока
. с задних кромок).
2. Аналитическое конформное отображение верхней полуплоскости с .незамкнутым разрезом на каноническую область - внутренность прямоугольника.
3. Аналитическое решение гидродинамической задачи в указанной канонической области.
Рассмотрено два числовых примера.
1°. Циркуляционное обтекание профиля Жуковского вблизи экрана.
.На рис. 12.1 показана конфигурация профиля со стоками интенсивности <7 = —1 на границе, а на рис. 12.2 - с источниками интенсивности 9 = 1 (стоки обозначены символами о, а источники - Д). На рис. 12.3 и 12.4 непрерывной кривой без геометрических значков показано распределение скорости, полученное для непроницаемого профиля (д = 0); пунктиром -для профиля, обтекаемого безграничным потоком (§ 10); сплошной кривой с геометрическими значками о и Л - для проницаемого профиля вблизи экрана. Приведены отношения СЦСи где С', С° - коэффи-
У * У У У У У
циенты подъемной силы проницаемого и непроницаемого профиля вблизи экрана, - коэффициент подъемной силы непроницаемого профиля в безграничном потоке, д = 0 : С°/С™ = 0.788; д = -1 : = 1.062;
Ч = 1 : СЦС= 1.272;
2°. Для сравнения результатов численных расчетов с точным решением рассмотрено циркуляционное обтекание непроницаемого тонкого профиля Жуковского вблизи экрана. Пусть Я - отстояние задней кромки профиля от экрана, I - длина хорды профиля.
На рис. 12.5 и рис. 12.6 показана конфигурация тонкого профиля Жуковского. На рис. 12.7 и рис. 12.8 непрерывной кривой показано распределение скорости, полученное численно для профиля вблизи экрана; символами о - точное решение для пластины, обтекаемой безграничным потоком; сплошной кривой с геометрическими значками • - для пластины вблизи экрана (11.1).
-3.3 -1.0 -1.0 -0.4 я 0.2
Рис. 12.1
-0.5
-1.5 -
-2.5 -
1.0 2.0 3.0 Я 4.0
Рис. 12.3
-1.5 -1.0 -0.5 X 0.0
Рис. 12.5
0.0 t.O 2.0 3.0 3 4.0
Рис. 12.7
-1.8 -1.0 -0.4 х 0.2
Рис. 12.2
о.о l.o 2.0 з.о а 4.о Рис. 12.4
12.0
-г.о
-1.0 х о.о Рис. 12. G
-1.0
-2.0
-3.0 -
1.0 2.0 3.0 S 4.0
Рис. 12.8
Из рис. 12.7 следует, что экран влияет на распределение скорости на профиле при небольших отношениях Hfl, что согласуется с известными
результатами в.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.
1. Разработаны алгоритмы численного конформного отображения ограниченных и неограниченных областей на неограниченные области на основе метода граничных элементов.
2. Построено численное конформное отображение внешности двух простых контуров на плоскость с двумя параллельными разрезами.
3. Численно-аналитически исследована задача обтекания крылового профиля с проницаемыми участками на границе. Найдено распределение скорости по контуру.
4. Аналитически решена задача обтекания проницаемой пластины вблизи экрана. Установлено, что экран влияет на распределение скорости на пластине лишь при небольших отстояниях пластины от экрана.
5. Численно-аналитически исследовано обтекание проницаемого крылового профиля вблизи экрана. Аналогично предыдущему случаю показано, что эффект экрана наблюдается при небольших отстояниях профиля от экрана.
Содержание диссертации отражено в следующих работах.
1. Терентьев А.Г., Картузова Т.В., Петрова Т.Н. Применение метода граничных элементов к численному конформному отображению и исследованию системы крыловых профилей // Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении / Тез. докладов. Казань: Изд-во Казанск. техн. ун-та, 1995.
' С. 17-19.
2. Терентьев А.Г., Петрова Т.Н. Применение метода граничных элементов к численному конформному отображению // Изв. НАМИ ЧР. 1996. № 1. С. 56-73.
3. Петрова Т.Н. Численное конформное отображение внешности двух контуров на прямоугольник //Труды Всерос. научн. шк. "Гидродинамика больших скоростей". Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1996. С. 130-132.
4. Терентьев А.Г., Смирнова Т.Н. Применение метода граничных элементов к расчету проницаемого крылового профиля // Изв. НАНИ ЧР. 1998. № 5. С. 85-95.
5. Смирнова Т.Н. Численное исследование проницаемых профилей методом граничных элементов //Труды матем. центра им. И.И. Лобачевского. Т. 3. "Краевые задачи и их приложения" / Казанское матем. общество. Материалы Всерос. научн. конференции. Казань: Унипресс, 1999. С. 358360.
6. Терентьев А.Г., Смирнова Т.Н. Обтекание проницаемой пластины вблизи экрана // Изв. НАНИ ЧР. 1999. № 4. С. 83-94.
8Терентьев А.Г., Картузова Т.В. Численное исследование обтекания профиля вблизи экрана // Изв. НАНИ ЧР. 1996. № 6. С. 94-104.
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Аналитическое конформное отображение
§1. Конформное отображение плоскости с двумя параллельными разрезами на прямоугольник
§2. Конформное отображение плоскости с двумя непараллельными разрезами на прямоугольник.
§3. Конформное отображение верхней полуплоскости с разрезом по отрезку на прямоугольник.
§4. . Конформное отображение верхней полуплоскости с незамкнутым разрезом на прямоугольник.
ГЛАВА 2. Численные алгоритмы построения конформно отображающей функции.
§5. Метод граничных элементов и его обобщение на функции с особенностями.
§6. Алгоритм применения МГЭ и расчета компонентов матриц для постоянных и линейных элементов.
§7. Конформное отображение ограниченных односвязных областей
§8. Конформное отображение односвязных неограниченных областей
§9. Конформное отображение двусвязных областей.
Метод конформного отображения относится к числу важнейших в математике. Он находит многочисленные приложения к самым различным областям знаний, а именно, при помощи метода конформных отображений с успехом решают практические задачи гидро- и аэродинамики, теории упругости, теории фильтрации, теории теплового, магнитного, электростатического полей, электро- и радиотехники, электронной оптики и других наук, лежащих в основе современного технического прогресса.
Комплексными числами и функциями комплексного переменного и, в частности, конформно преобразующими функциями математики пользовались в своих исследованиях уже в XVIII веке. Особенно велики заслуги Леонарда Эйлера (1707-1783), который по праву считается одним из творцов теории функций комплексного переменного (ТФКП). Эйлер привел многочисленные приложения функций комплексного переменного к различным математическим задачам и положил начало применению их в гидродинамике и картографии.
После Эйлера открытые им результаты развивались, совершенствовались и систематизировались, и в первой половине XIX века ТФКП оформилась как важнейшая отрасль математического анализа. Основные заслуги здесь принадлежат Огюстену Коши (1789-1857) и Карлу Вейерштрассу (1815-1897), развившим интегральное исчисление и теорию представления функций рядами, а также Бернхарду Риману (18261866), обосновавшему геометрические вопросы теории функций и их приложения.
Отдельные задачи, связанные с конформными отображениями, решались Дж.Л. Даламбером, Л. Эйлером и К.Ф. Гауссом. Опираясь на их работы, Б. Риман в своей диссертации "Основы общей теории функций комплексного переменного" (1851 г.) положил начало геометрической теории функций и, в частности, сформулировал основную теорему о возможности конформного отображения произвольных односвязных областей друг на друга (но доказана она была позднее). В своих исследованиях Б. Риман систематизировал и развил теорию конформных отображений, исходя из физических представлений.
Со второй половины XIX века инициатива широкого применения конформных отображений к конкретным практическим задачам и наиболее принципиальные результаты в этом направлении принадлежат русским ученым - Н.Е. Жуковскому, С.А. Чаплыгину, М.А. Лаврентьеву, М.В. Келдышу, Л.И. Седову (гидро- и аэродинамика), Г.В. Колосову, Н.И. Мусхелишвили, А.Н. Диннику, Г.Н. Савину (теория упругости), H.H. Павловскому, П.Я. Полубариновой-Кочиной (теория фильтрации) и их многочисленным последователям и ученикам. Среди них следует отметить A.B. Кузнецова, Н.Б. Ильинского, Л.М. Котляра, А.Г. Теренть-ева, Д.В. Маклакова, В.Н. Васильева, В.П. Житникова и др.
В математике существует ряд аналитических методов, которые позволяют в большинстве случаев полностью решать задачи об отображении. Однако обычно приходится рассматривать области, для которых отображающую функцию нельзя получить в явном виде, хотя ее существование обеспечивается теоремой Римана. Точное или хотя бы удовлетворительное приближенное построение этой функции для заданной односвязной области и притом в форме, удобной для использования в приложениях, представляет собой сложную математическую задачу. Разработка приближенных методов конформных отображений ведется уже несколько десятилетий и литература, посвященная этим вопросам, насчитывает многие сотни названий.
В теории плоских конформных отображений и ее приложениях принципиальным является вопрос о возможности однолистно и конформно отобразить одну заданную область на другую, а в практических приложениях - вопрос о возможности это сделать посредством сравнительно простых функций. Первую задачу для случая односвязных областей, границы которых не пусты и не вырождаются в точки, решает в положительном смысле теорема Римана о конформном отображении [19, 43]. Вторая задача для некоторых областей специального вида решается с применением элементарных функций комплексного переменного, формул Кристоффеля-Шварца для отображения полуплоскости или круга на многоугольник, применением принципа симметрии, приближенных методов конформного отображения.
Первыми работами по теории конформных отображений, опубликованными в нашей стране в двадцатых годах, были работы В.И. Смирнова [65], И.И. Привалова [59], М.А. Лаврентьева [94].
С именем М.А. Лаврентьева связано возникновение вариационных методов теории конформных отображений, о применении которого упоминается в работах [43, 45, 46, 79]. М.А. Лаврентьеву принадлежит также идея метода последовательных конформных отображений [79].
Большой вклад в развитие теории конформных отображений и их технических приложений был сделан в ряде совместных работ М.А. Лаврентьева и М.В. Келдыша [36] и других авторов. В своих дальнейших трудах М.В. Келдыш [34, 35] разрабатывает вопросы представления функций комплексного переменного совокупностью полиномов и вопросы конформного отображения многосвязных областей.
Экстремальные свойства отображающей функции [30] дали возможность применить для ее построения различные полиномы, ортогональные на контуре или в области. Первые успешные попытки построения таких полиномов были предприняты в двадцатых годах Карлеманом, Сеге, Бохнером и Бергманом [30]. К этому же направлению тесно примыкают работы В.И. Смирнова [65] и других авторов.
Новое направление в развитии приближенных методов конформных отображений было дано в работах участников семинара при Институте математики и механики Ленинградского университета, который был организован в начале тридцатых годов В.И. Смирновым. Среди них надо отметить работы Г.М. Голузина [19] и П.В. Мелентьева [52], которые затем вошли в монографию Л.В. Канторовича и В.И. Крылова [30].
Для разработки аналитических методов построения отображающих функций в виде полиномов Л.В. Канторовичем [29, 30] были использованы сопряженные тригонометрические ряды. Г.А. Николаева занималась дальнейшей разработкой метода, предложенного Л.В. Канторовичем, для отображения близких областей [56]. Этот способ был применен ею к отображению областей, значительно разнящихся друг от друга, путем введения нескольких промежуточных областей. Г.А. Николаева также разработала численный вариант этого метода и осуществила детальное исследование сходимости процесса, используя теоремы о методе Ныотона. Некоторому варианту метода Л.В. Канторовича посвящена работа А.З. Закарина [26].
Численный метод конформных отображений, основанный на тригонометрической интерполяции, изложен в работе П.Ф. Фильчакова [82]. Указанная методика обобщена на случай внешних и двусвязных областей.
Для построения конформного отображения односвязных областей П.Ф. Фильчаковым был предложен численный метод [81], основанный на методе последовательных конформных отображений [78], разработанный им же ранее. Данный метод применим к отображению областей любой связности. Дальнейшее исследование метода изложено в работах [79, 80, 82]. Необходимо также отметить работы В.П. Фильчаковой, например, [84].
В практике конформных отображений важное место занимает отображение прямолинейных и круговых многоугольников, определяемое с помощью формулы Кристоффеля-Шварца и дифференциального уравнения Шварца. Наибольшее затруднение представляет нахождение неизвестных параметров, входящих в указанный интеграл и уравнение, особенно так называемых акцессорных параметров, появляющихся при конформном отображении круговых многоугольников. В книге В. Коп-пенфельса и Ф. Штальмана [39] основное внимание уделено теории и практике конформных отображений многоугольников: прямолинейных и круговых, односвязных и двусвязных.
Определению констант Кристоффеля-Шварца посвящен ряд работ [21, 31, 47, 79, 95, 103]. Например, в работе E.-S. Meyer [95] задача вычисления параметров сводится к решению системы нелинейных уравнений модификациями Бройдена и Шветлика метода Ньютона. В работе Zheng Zhi-giaig [103] конформное отображение осуществляется при помощи интеграла Кристоффеля-Шварца, для нахождения констант которого предлагается численный метод. В статье И.С. Хары [86] при отображении многоугольника на круг предложено использовать в качестве параметров, определяющих отображение, не образы вершин многоугольника, а расстояния между ними. Последние определяются методом последовательных приближений. В работе A.C. Грищен-ко [21] утверждается, что формула Кристоффеля-Шварца для отображения верхней полуплоскости на внутренность прямоугольника может быть обобщена на случай прямоугольника, одна сторона которого заменена на непрерывную кривую; построена непрерывная функция осуществляющая взаимно однозначное соответствие вещественной оси комплексной плоскости 2 на границу заданной области g.
Хорошо известно [39], что решение задачи конформного отображения канонической области на круговой четырехугольник представляет принципиальные трудности, обусловленные тем, что соответствующее дифференциальное уравнение, которому удовлетворяет отображающая функция, содержит два неопределенных параметра. Связь этих параметров с геометрическими характеристиками заданного четырехугольника заранее неизвестна. В работах А.Р. Цицкишвили [88, 89] указан общий путь решения задачи конформного отображения полуплоскости на круговой четырехугольник, который удалось распространить на многоугольник с любым числом вершин [87].
Вопросам конформного отображения многоугольников и круговых многоугольников посвящен целый ряд работ Э.Н. Береславского [8]-[10]. В статье Э.И. Зверовича и Г.Г. Чаевского [27] предлагается метод построения аналитических функций, осуществляющих конформное отображение круговых пятиугольников частного вида на полуплоскость.
Для построения конформно отображающей функции использовался также метод интерполяционных полиномов Лагранжа, который нашел свое применение в трудах В.А. Ботова [12] и А.Г. Угодчикова [76]. Так, в работе [12] излагается этот метод и предлагается его модификация, что позволяет отображать значительно более сложные однолистные области, а также расширить сферу применения данного метода на отображение неоднолистных областей.
Как известно, аналитическое построение отображающих функций для многосвязных, в частности, двусвязных областей связано с большими трудностями [1, 19] - здесь встает вопрос о степени возможности однолистного конформного отображения любых двух данных п-связных областей друг на друга. Для односвязных областей это, по теореме Ри-мана, возможно всегда, за малыми исключениями. Иначе обстоит дело в случае п-связных областей с п > 1. Для того, чтобы две такие области были однолистно отобразимы друг на друга, очевидно, необходимо и достаточно, чтобы две круговые области, на которые они могут быть однолистно отображены, также допускали однолистное отображение друг на друга. Эти круговые области можно брать "специального" вида, а именно, кольца вида д < \г\ < С} с п — 2 круговыми вырезами внутри, ибо любую круговую п-связную область можно всегда отобразить на область такого вида посредством надлежащей дробно-линейной функции.
Разработке методов конформных отображений двусвязных и многосвязных областей посвящены работы В.А. Зморовича [28], Г.Я. Хажалия [85], Р. Куранта [90].
В работе Л.Е. Дундученко и С.В. Гончаренко [24] используется явный вид функции w — h(z), однолистно и конформно отображающей n-связную круговую область на круг единичного радиуса с разрезами по дугам концентрических окружностей с общим центром в точке w = 0. В статье С.В. Гончаренко [20] построены точное и приближенные аналитические выражения функции h(z), дана оценка допускаемой погрешности.
A. Harrington [91] излагает приближенный способ построения функции, конформно отображающей данную многосвязную область на область с граничными компонентами в форме прямоугольников и приводит примеры с расчетами. В работе Н.-Р. Hoidn [92] описан приближенный метод конформного отображения (так называемый метод соприкосновения) двусвязной области на кольцо. В статье D. Homentcovschi [93] получено асимптотическое представление функции, реализующей конформное отображение внешности п кривых с конечным радиусом кривизны на плоскость с п разрезами по вещественной оси. В работе Б.И. Рабиновича и Ю.В. Тюрина [60] рассматривается задача конформного отображения на кольцо областей, ограниченных замкнутыми линиями, близкими в некотором смысле к концентрическим окружностям. Предлагается рекуррентный численный метод. Об отображении круговой многосвязной области на плоскость и круг с разрезами вдоль конечных прямолинейных отрезков рассказывается в статье Л.Е. Дундученко [23]. А.Л. Кудрявцевым [41] предложен приближенный метод конформных отображений двусвязной области на кольцо.
Наряду с аналитическими методами и, главным образом, в силу их сложности, возникли методы графоаналитические. Здесь прежде всего следует отметить метод П.В. Мелентьева [38] (с. 80-89), [52, 53]. Ю.В. Благовещенский [11] применил метод П.В. Мелентьева для конформного отображения на круг областей, близких к кругу, придав этому метод,у аналитическую форму.
Для решения задачи конформного отображения наперед заданных областей использовался также метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) H.H. Павловского, который представлял собой первую электрическую модель конформного преобразования одной односвязной области (прямоугольник) на другую (область фильтрации). А.Г. Угод-чиков [76], пользуясь электропроводной бумагой и, исходя из метода П.В. Мелентьева, разработал экспериментально-аналитический метод построения функции, конформно отображающей произвольную од-носвязную область на круг, а также двусвязную область на круговое кольцо. Этот метод успешно применялся в гидродинамике Г.А. Рязановым [61, 62], в теории упругости Н.В. Алексеевым [2], в теории фильтрации П.Ф. Фильчаковым [83].
В теории аналитических функций рассматриваются также неоднолистные отображения областей разной связности друг на друга посредством аналитических функций, в том числе конформное отображение круга на многосвязные области, отображение гг-связных областей на п-листный круг, вообще, отображение одной римановой поверхности на другую [3, 4, 5].
Более подробный обзор работ по приближенным методам конформных отображений и их применению к решению различных технических задач приведен в [18, 22, 30, 32, 42, 50, 51, 100].
Из приведенного обзора видно, какое большое внимание уделялось методам конформных отображений, тем не менее нет простого алгоритма численного конформного отображения.
С развитием вычислительной техники мощный толчок к развитию получили численные методы, применяемые сегодня в самых разных областях механики сплошных сред. Многие задачи, теоретическое исследование которых ранее было затруднительным, получили решение благодаря реализации численных методов. Так, нашли свое применение метод интегральных уравнений [49, 54], метод конечных элементов [13, 37], метод граничных элементов [7, 13, 14] и их различные модификации.
В последнее время в различных областях механики сплошных сред широко применяется метод граничных элементов (МГЭ). Уже само название выделяет характерную особенность МГЭ: возможность решения задачи с использованием дискретизации лишь границы области (в отличие от методов конечных элементов (МКЭ) и методов конечных разностей (МКР), применение которых требует дискретизации всей области). Подробно сам метод и область его применения изложены в монографиях П. Бенерджи и Р. Баттерфилда [7], К. Бреббиа, Ж. Теллеса и Л. Вроу-бела [13], в учебном пособии А.Г. Терентьева и К.Е. Афанасьева [69]. Применительно к задачам гидродинамики МГЭ был использован в ряде работ. Так, А.Г. Терентьев [68, 69, 71] исследовал многие задачи гидродинамики с помощью метода граничных элементов. Численные исследования обтекания системы произвольных профилей с помощью МГЭ проведены Т.В. Картузовой [33].
В данной работе метод граничных элементов использовался в качестве численного метода для построения конформно отображающей функции.
Исторически методу граничных элементов предшествовали родственный ему метод конечных элементов и теория интегральных уравнений. Интегральное уравнение теории потенциала вывел Георг Грин.
Существует две формулировки МГЭ: прямая и непрямая [13]. В непрямой формулировке вводятся формальные функции плотности источника, которые обычно не имеют отношения к физическому смыслу задачи. Это неудобство можно преодолеть, воспользовавшись прямой формулировкой метода граничных элементов, где значения неизвестной функции (р и ее производных на границе С области I) играют роль плотностей источников, определяющих ср внутри Б. К этой формулировке можно прийти, используя, например, метод взвешенных невязок [13], преимущество которого состоит в универсальности: его можно непосредственно распространить на решение более сложных уравнений в частных производных и применить для получения других численных подходов (таких, как метод конечных элементов).
В данной работе будет использоваться прямая формулировка МГЭ.
Интегральные соотношения Грина, лежащие в основе МГЭ, были получены для однозначных и непрерывных вместе со своими производными до второго порядка функций и использовались для ограниченных областей. Однако в задачах гидродинамики область течения жидкости может быть и неограниченной и многосвязной, а искомые функции могут иметь особенности как во внутренних точках, так и на бесконечности, по этой причине применять для их решения интегральные соотношения Грина непосредственно нельзя. А.Г. Терентьев [68] обобщил формулу Грина для функций с особенностями и для неограниченных областей. В настоящей диссертационной работе при построении алгоритма численного расчета используется именно формула Грина-Терентьева.
Многие задачи гидродинамики, теории упругости и др. проще решаются по такой схеме: сначала находится решение задачи для канонической области, а затем искомое решение выражается через найденное с помощью конформного отображения исходной области на каноническую. Значит, вся трудность заключается именно в построении конформно отобра?кающей функции.
Перечисленные проблемы послужили причиной возникновения нового подхода к численному конформному отображению ограниченных и неограниченных областей конечной связности.
Таким образом, целью диссертационной работы является:
1) разработка алгоритма численного конформного отображения ограниченных и неограниченных областей конечной связности на основе МГЭ;
2) применение построенного алгоритма к задачам гидродинамики идеальной жидкости;
3) численное исследование проницаемых профилей.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1) предложен явный вид функций, отображающих плоскость с двумя, вообще говоря, произвольными разрезами на прямоугольник (§ 1, § 2);
2) предложен явный вид функций, отображающих полуплоскость с разрезом по замкнутому (§ 3) и незамкнутому (§ 4) разрезу на прямоугольник;
3) разработан алгоритм численного конформного отображения ограниченных областей (§ 7) на неограниченные области для двух случаев нормировки:
- внутренней точке го соответствует бесконечно удаленная точка г^о = оо и граничной точке хд соответствует граничная точка ги^;
- трем граничным точкам соответствуют три граничным точкам, одна из которых - бесконечно удаленная;
4) осуществлено численное конформное отображение неограниченных областей на плоскость с горизонтальным разрезом при соответствии друг другу бесконечно удаленных точек (§ 8);
5) построено численное конформное отображение внешности двух простых контуров на плоскость с двумя параллельными разрезами (§ 9);
6) исследована задача обтекания крылового профиля с проницаемыми участками (§ 10);
7) аналитически решена задача обтекания проницаемой пластины вблизи экрана (§ 11);
8) исследовано обтекание проницаемого крылового профиля вблизи экрана (§ 12).
Все расчеты проводились с использованием постоянных граничных элементов и сравнивались с аналитическим решением (если оно известно). Результаты вычислений представлены в виде таблиц и графиков, которые подтверждают высокую эффективность метода граничных элементов при решении вычислительных задач.
Полученные результаты могут быть полезны:
- при решении задач конформного отображения областей призволь-ной конфигурации с самонепересекающимися границами;
- при решении задач обтекания тел (или системы тел) заданной формы, в том числе с проницаемыми участками границы.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - заслуженному деятелю науки Чувашской Республики, академику НАНИ ЧР, профессору Алексею Григорьевичу Терентьеву за поставленную задачу, постоянное внимание и помощь при выполнении работы, а также сотрудникам кафедры прикладной и дискретной математики и кафедры теоретической механики Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова за полезные советы при обсуждении результатов.
Заключение.
1. Александров И.А. Конформные отображения односвязных и многосвязных областей. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1976. 156 с.
2. Алексеев Н.В., Борозна Д.И., Дитман А.О. Определение геометрических характеристик методом электромагнитного моделирования / Прочность конструкций. Уфа: Изд-во УАИ, 1974. Ч. 1. С. 147-152.
3. Аленицын Ю.Е. Конформные отображения многосвязной области на многолистные канонические поверхности // ДАН СССР. 1963. Т. 150. Вып. 4. С. 711-714.
4. Аленицын Ю.Е. Конформные отображения многосвязной области на многолистные поверхности с прямолинейными разрезами // ДАН СССР. 1965. Т. 160. Вып. 1. С. 13-14.
5. Андрианов С.Н. О конформном отображении многолистнон области на круг // Исследования по современным проблемам теории функций комплексного переменного. М.: Физматгиз, 1960.
6. Аптекарев А.И., Волевич Л.Р., Казанджан Э.П. Численное конформное отображение многосвязных областей // Тез. докл. меж-дунар. научн. конф., посвящ. 100-летию со дня рожд. Н.Г. Чеботарева, Казань, 5-11 июня, 1994. Ч. 2. / Казань, 1994. С. 18-19.
7. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984. 494 с.
8. Береславский Э.Н. Об одном методе вычисления неизвестных параметров при конформном отображении полуполосы на круговые четырехугольники // Вычисл. и прикл. мат. (Киев). 1980. № 41. С. 52-57.
9. Береславский ЭЛЬ О конформном отображении некоторых круговых многоугольников на прямоугольник // Изв. вузов. Мат. 1980. № 5. С. 3-7.
10. Береславский Э.Н. К вопросу о построении конформных отображений двухсвязных областей // Вычисл. и прикл. мат. (Киев). 1986. № 58. С. 71-75.
11. Благовещенский Ю.В. О некоторых приближенных методах конформного преобразования // Сб. трудов ин-та строит, мех. АН УССР. 1950. № 14. С. 145-152.
12. Ботов В.А. О конформном отображении произвольных одно- и двухсвязных областей. Пермь. 1980. 24 с. Деп. в ВИНИТИ 21.08.80. № 3788-80Деп.
13. Бреббиа К., Теллес Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987. 524 с.
14. Бреббиа К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982. 248 с.
15. Галанин A.B. О влиянии особенностей на подъемную силу профиля в ограниченном потоке жидкости // Вопросы прикладной математики и механики. Чебоксары, 1974. Вып. 3. С. 25-3.59.
16. Галанин A.B., Терентьев А.Г. Граничные задачи линейной гидродинамики // Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-иа, 1984. 83 с.
17. Галанин A.B., Терентьев А.Г. Приложения теории функций комплексного переменного в задачах механики сплошной среды. / Учеб. пособие. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1980. 123 с.
18. Гахов Ф.Д. Краевые задачи. М.: Физматгиз, 1963. 639 с.
19. Голузин Г.М. Геометрическая теория функций комплексного переменного. М.: Наука, 1966. 628 с.
20. Гончаренко C.B. Построение функции, отображающей п-связную круговую область на круг с разрезами по дугам концентрических окружностей // Укр. мат. журн. 1983. Т. 35. № 3. С. 356-3.559.
21. Грищенко A.C. К вопросу о конформном отображении одной четырехугольной области. Челябинск, 1982. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 12.02.82. № 669-82 Деп.
22. Дженкинс Дж.А. Однолистные функции и конформные отображения. М.: ИЛ, 1962. 265 с.
23. Дундученко Л.Е. Об отображении круговой многосвязной области на плоскость и круг с разрезами вдоль конечных прямолинейных отрезков // Укр. мат. журн. 1988. Т. 40. № 4. С. 521-525.
24. Дундученко Л.Е., Гончаренко C.B. О формуле Кристоффеля-Шварца, обобщенной на n-связные круговые области // Вычислит, и прикл. мат. Киев: Вища школа, 1978. Вып. 35. С. 41-52.
25. Елизаров A.M., Ильинский Н.Б., Поташев A.B. Обратные краевые задачи аэрогидродинамики. М.: Наука, 1994. 436 с.
26. Закарин А.З. Об одном методе последовательных приближений в конформном отображении // ИАН КазССР, сер. матем. и мех. 1951. Т. 5. Вып. 6. С. 104-118.
27. Зверович Э.И., Чаевский Г.Г. Конформные отображения круговых многоугольников специального вида // Вестн. Белорус, ун-та. 1984. Сер. 1. № 2. С. 46-49.
28. Зморович В.А. Конформные отображения однолистных двухсвязных областей // Научные записки Киевского ун-та. Киев, 1937. Т. 3. Вып. 1.
29. Канторович Л.В. О конформном отображении. Матем. сб. // 1933. Т. 40. № 3. С. 294-3.525.
30. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. М.-Л.: Физматгиз, 1962. 708 с.
31. Караниколов Х.Н., Савов В.Н., Богданов Е.С. Об отображении полуплоскости на многоугольник и наоборот посредством интеграла Кристоффеля-Шварца // Изв. ВМЕИ Ленин. 1976. Т. 35. № 3. С. 101-112.
32. Каратеодори К. Конформное отображение. М.-Л.: Гостехиздат, 1934.
33. Картузова Т.В. Численные исследования обтекания системы произвольных профилей методом граничных элементов. 01.02.05: Дис.канд. физ.-мат. наук. Чебоксары, 1997. 106 с.
34. Келдыш М.В. Конформные отображения многосвязных областей на канонические области // Успехи матем. наук. 1939. Т. 6. С. 90-119.
35. Келдыш М.В. О представлении функций комплексного переменного рядами полиномов в замкнутых областях // Матем. сб. 1945. Т. 16(58). С. 249-258.
36. Келдыш М.В., Лаврентьев М.А. К теории конформных отображений // ДАН СССР. 1935. Т. 1. № 2-3.5. С. 85-87.
37. Коннор Дж., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкости. Л.: Судостроение, 1979. 204 с.
38. Конформное отображение односвязных и многосвязных областей. М.-Л.: ОНТИ, 1937.
39. Коппенфельс В., Штальман Ф. Практика конформных отображений. М.: ИЛ, 1963. 406 с.
40. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. М.-Л.: Гостехиздат. Т. 1. 535 с.
41. Кудрявцев А.Л. Об одном приближенном методе конформных отображений двухсвязной области на кольцо // Вопросы вычислительной математики. Ташкент: Изд-во АН УзССР, 1963. С. 30-3.53.
42. Курант Р. Принцип Дирихле, конформные отображения и минимальные поверхности. М.: ИЛ, 1953. 311 с.
43. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1973. 736 с.
44. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: Наука, 1977. 408 с.
45. Лаврентьев М.А. Конформные отображения с приложениями к некоторым вопросам механики. М.-Л.: Гостехиздат, 1946.
46. Лаврентьев М.А. Вариационный метод в краевых задачах для систем уравнений эллиптического типа. М.: Изд-во АН СССР, 1962.
47. Лаврик В.И., Савенков В.Н. Справочник по конформным отображениям. Киев: Наукова думка, 1970. 252 с.
48. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1971. 847 с.
49. Мазья В.Г. Граничные интегральные уравнения // Итоги науки и техники ВИНИТИ. Совр. пробл. мат.: Фундамент, направл. 1988. Т. 27. С. 131-228.
50. Математика в СССР за тридцать лет. 1917-1947. М.-Л.: Гостехиз-дат, 1948. 1044 с.
51. Математика в СССР за сорок лет. 1917-1957. В 2-х т. М.: Физмат-г и з. 1959.
52. Мелентьев П.В. Приближенные вычисления. М.: Физматгиз, 1962.
53. Мелентьев П.В. Приближенное конформное преобразование одно-связных областей // Труды 2-го Всесоюзного матем. съезда. Л., 1934. Т. 2. С. 420.
54. Метод граничных интегральных уравнений / Под ред. Круза Т., Риццо Ф. М.: Мир, 1978. 210 с.
55. Некрасов А.И. Обтекание профиля Жуковского при наличии на профиле источника и стока // ПММ. 1947. Т. 11. Вып. 1. С. 41-54.
56. Николаева Г.А. О приближенном построении конформного преобразования методом сопряженных тригонометрических рядов // Труды Матем. ин-та АН СССР им. В.А. Стеклова. 1959. Вып. 53. С. 236-265.
57. Пергаменцева Э.Д. Об одном случае конформного отображения четырехугольника, ограниченного дугами окружностей // Успехи матем. наук. 1957. Т. 12. Вып. 2. С. 159-168.
58. Петрова Т.Н. Численное конформное отображение внешности двух контуров на прямоугольник // Труды Всерос. научн. шк. "Гидродинамика больших скоростей". Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1996. С. 130-132.
59. Привалов И.И. О функциях, дающих однолистное конформное отображение // Матем. сб. 1924. Т. 31. С. 350-3.565.
60. Рабинович Б.И., Тюрин Ю.В. Рекуррентный численный метод конформного отображения двухсвязных областей на круговое кольцо // ДАН СССР. 1983. Т. 272. № 4. С. 795-798.
61. Рязанов Г.А. Моделирование обтекания подводного крыла бесконечного размаха на основании косвенной электрогидродинамической аналогии / Современные вопросы гидродинамики. Киев: На-укова думка, 1967. С. 212-216.
62. Рязанов P.A. Способ моделирования обтекания подводного крыла: A.c. 169811 СССР, Б.И., 1965. № 7.
63. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. М.: Наука, 1966. 448 с.
64. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.: Наука, 1974. Т. 2. 655 с.
65. Смирнов В.И. О конформном преобразовании односвязных областей в себя // Зап. каб. Крымского ун-та. 1921. Т. 3. С. 145-152.
66. Терентьев А.Г. К линейной теории кавитационного обтекания препятствий // Вопросы прикладной матем. и мех. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1971. С. 3-95.
67. Терентьев А.Г. Численное исследование в гидродинамике // Известия АН 4P. 1994. Вып. 1. № 2. С. 61-84.
68. Терентьев А.Г., Афанасьев К.Е. Численные методы в гидродинамике / Учеб. пособие. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1987.
69. Терентьев А.Г., Картузова Т.В. Численное исследование обтекания профиля вблизи экрана // Изв. НАНИ 4P. 1996. № 6. С. 94 104.
70. Терентьев А.Г., Картузова Т.В. Численные исследования крыловых профилей методом граничных элементов // Актуальные задачи математики и механики. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та. 1995. С. 108-117.
71. Терентьев А.Р, Смирнова Т.Н. Применение метода граничных элементов к расчету проницаемого крылового профиля // Изв. НАНИ ЧР. 1998. № 5. С. 85-95.
72. Терентьев А.Г., Смирнова Т.Н. Обтекание проницаемой пластины вблизи экрана // Изв. НАНИ ЧР. 1999. № 4. С. 83-94.
73. Угодчиков А.Р. Построение конформно отображающих функций при помощи электромоделирования и интерполяционных многочленов Лагранжа. Киев: Наукова думка, 1966.
74. Уиттекер Э., Ватсон Д.Н. Курс современного анализа. М.: ГИФМЛ. Т. 2. 1963. 516 с.
75. Фильчаков П.Ф. О методе последовательных конформных отображений // ДАН СССР. 1955. Т. 101. N. 1. С. 25-28.
76. Фильчаков П.Ф. Приближенные методы конформных отображений. Справочное руководство. Киев: АН УССР, 1964. 531 с.
77. Фильчаков П.Ф. Численные и графические методы прикладной математики. Киев: Наукова думка, 1970. 800 с.
78. Фильчаков П.Ф. Численный метод конформного отображения од-носвязных однолистных областей // Укр. матем. ?курн. 1958. Т. 10. N. 4. С. 434-449.
79. Фильчаков П.Ф. Численный метод конформного отображения одно-связных и многосвязных областей, основанный на тригонометрической интерполяции / Концентрация напряжений. Киев: Наукова думка, 1965. Вып. 1. С. 276-287.
80. Фильчаков П.Ф., Панчишин В.И. Интегратор ЭГДА, моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. Киев: Изд-во АН УССР, 1961. 171 с.
81. Фильчакова В.П. Конформные отображения областей специального типа. Киев: Наукова думка, 1972. 252 с.
82. Хажалия Г.Я. К теории конформных отображений // Труды Матем. ин-та Груз. фил. АН СССР. 1938. Т. 4. С. 123-134.
83. Хара И.С. Об одном методе приближенного конформного отображения многоугольных областей на единичный круг // ДАН УССР. 1953. Т. 4. С. 289-293.
84. Цицкишвили А.Р. О конформном отображении полуплоскости на круговые многоугольники // ДАН СССР. 1973. Т. 211. № 3. С. 3003.503.
85. Цицкишвили А.Р. О конформном отображении полуплоскости на круговые четырехугольники // ДАН СССР. 1977. Т. 233. № 4. С. 563-566.
86. Цицкишвили А.Р. О конформном отображении полуплоскости на круговые четырехугольники // Сообщ. АН ГрузССР. 1976. Т. 84. № 3. С. 553-556.
87. Courant R., Manel В., Shiffman М. A general theorem on conformal mapping of multiply-connected domains // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1940. V. 26.
88. Harrington A.N. Conformal mappings onto multiply connected regions with specified boundary shapes (a preliminary discussion of computer implementation) // Appl. Math, and Comput. 1982. V. 1011. P. 601-618.
89. Hoidn H.-P. Osculation methods for the conformal mappings of doubly connected regions // ZAMP. 1982. V. 33. № 5.
90. Homentcovschi D. Conformal mapping of multiply connected domains exterior to thin regions // ZAMP. 1982. V. 33. № 4. P. 503-517.
91. Lavrentiev M.A. Sur la representation conforme. C. r. Acad. Sei. V., 1927. V. 184. P. 1407-1409.
92. Meyer E.-S. Praktische Verfahren zur konformen Abbildung von Geradenpolygonen. Diss. Dokt. Naturwiss. Fak. Math. Naturwiss. Univ. Hannover. 1979. 104 s.
93. Maklakov D.V. Influence of jet blowing on the aerodynamic characteristics of airfoils // German-Russian Symposium "Airfoil Design for Wings with Boundary-Layer Control". Stuttgart, German)'. 15-17 April. 1998.
94. Prosnak W. Theory of Two-Dimensional aerofoil with jet flap // Naclbitka zarchiwun mechaniki stoswanej. 1958. № 10.
95. Prosnak W., Kucharczyk P. The influence of the ground on the aerodynamic properties of an aerofoil with jet flap // Naclbitka zarchiwin mechaniki stoswanej. 1959. AS 11.
96. Prosnak W.J., Rokicki J. An exact mapping function for systems of profiles // Bull. Acad. pol. sei. Ser. sei. techn. 1980. V. 28. № 7-8. P. 375-3.578.
97. Seidel W. Bibliography of Numerical Methods in Conformal Mappings // Nat. Bureau Stanclarts appl. Math. Ser. 1952. V. 18. P. 269-280.
98. Terentiev A.G. On the infinite regions in the boundary elements method // Boundary Element Methods in Dynamics II. Proc. 2-d Int. Fluid Dynamics Workshop, Southampton, UK, 1994. P. 103-109.
99. Woods L.C. The theory of subsonic plane flow. Cambridge, Univ. Press, 1961. 594 p.
100. Zheng Zhi-giaig. An approximate method on the conformal mapping from a unit circle to an arbitrary curve // Appl. Math, and Mecli. (Engl. Ed.) 1992. V. 13. № 5. P. 467-475.
