Unstable perturbations in a swirling flow of an ideal incompressible fluid in the regions with open boundaries | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2025. № 98. DOI: 10.17223/19988621/98/14

Unstable perturbations in a swirling flow of an ideal incompressible fluid in the regions with open boundaries

This paper examines the linearized Euler equations determining the axisymmetric swirling flow of an ideal incompressible fluid. The main flow is characterized by a single nontrivial (azimuthal) velocity component that depends arbitrarily on the radial cylindrical coordinate. Based on a perturbed steady-state solution, explicit expressions for vortex helices and spiral-shaped stream surfaces are obtained. Exact solutions are constructed that incorporate arbitrary functions in their structure and describe perturbations of velocity and/or pressure growing linearly in time. A hydrodynamic interpretation of these solutions is given in terms of the fluid flow through a given domain. An analytical description is provided for the unstable fluid states in the regions with open boundary segments. Three geometric configurations of such domains are analyzed. The first is the flow outside a vortex cylinder attached to an impermeable surface with a non-monotonic profile in the radial cylindrical coordinate. The second is the flow inside an impermeable cylinder with movable permeable spherical segments at its ends; the boundary conditions on these segments represent a coupling between velocity and pressure perturbations and the velocity of the segment. The third configuration is the flow in a gap between coaxial cylinders with movable permeable segments located at their ends. The effect of the pressure gradient on the spatial structure of the vortex field is studied. The effect of geometric parameters of the open regions on the flow properties is determined.

Download file
Counter downloads: 2

Keywords

Euler equations, flow problem, open flow, vortex spiral, coaxial cylinders

Authors

NameOrganizationE-mail
Shablovskiy Oleg N.Pavel Sukhoi State Technical University of Gomelshablovsky-on@yandex.ru
Всего: 1

References

Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981. 366 с.
Сэффмэн Ф.Дж. Динамика вихрей. М.: Научный мир, 2000. 376 с.
Головкин М.А., Головкин В.А., Калявкин В.М. Вопросы вихревой гидромеханики. М.: Физ матлит, 2009. 264 с.
Дикий Л.А. Гидродинамическая устойчивость и динамика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 108 с.
Дразин Ф. Введение в теорию гидродинамической устойчивости. М.: Физматлит, 2005. 288 с.
Бардос К., Тити Э.С. Уравнения Эйлера идеальной несжимаемой жидкости // Успехи математических наук. 2007. Т. 62, вып. 3. С. 5-46. doi: 10.4213/гш6811.
Даншен Р. Аксиально-симметричные несжимаемые потоки с ограниченным вихрем // Успехи математических наук. 2007. Т. 62, вып. 3. С. 73-94. doi: 10.4213/іш6761.
Наумов И.В., Окулов В.Л., Соренсен Ж.Н. Диагностирование пространственной струк туры вихревых мультиплетов в закрученном течении // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17, № 4. С. 585-593.
Ахметов Д.Г., Ахметов Т.Г. Структура течения в вихревой камере // Прикладная меха ника и техническая физика. 2016. Т. 57, вып. 5. С. 134-143. doi: 10.15372/pmtf20160515.
Юдович В.И. Двумерная нестационарная задача о протекании идеальной несжимаемой жидкости через заданную область // Математический сборник. 1964. Т. 64, № 4. С. 562588.
Yudovich V.I. Eleven great problems of mathematical hydrodynamics // Moscow Mathematical Journal. 2003. V. 3 (2). P. 711-737. doi: 10.17323/1609-4514-2003-3-2-711-737.
Коробков М.В., Пилецкас К., Пухначев В.В., Руссо Р. Задача протекания для уравнений Навье-Стокса // Успехи математических наук. 2014. Т. 69, вып. 6. С. 115-176. doi: 10.4213/rm9616.
Юдович В.И. О неограниченном росте вихря и циркуляции скорости течений стратифицированной и однородной жидкости // Математические заметки. 2000. Т. 68, вып. 4. С. 627-636. doi: 10.4213/mzm983.
Gallaire F., Chomaz J.-M. The role of boundary conditions in a simple model of incipient vortex breakdown // Physics of Fluids. 2004. V. 16. P. 274-286. doi: 10.1063/1.1630326.
Rusak Z., Wang S., Xu L., Taylor S. On the global nonlinear stability of a near-critical swirling flow in a long finite-length pipe and the path to vortex breakdown // Journal of Fluid Mechanics. 2012. V. 712. P. 295-326. doi: 10.1017/jfm.2012.420.
Моргулис А.Б. Вариационные принципы и устойчивость открытых течений идеальной несжимаемой жидкости // Сибирские электронные математические известия. 2017. Т. 14. С. 218-251. doi: 10.17377/semi.2017.14.022.
Ильин К.И., Моргулис А.Б., Черныш А.С. Операторные интегралы Лапласа и устойчивость открытых течений идеальной несжимаемой жидкости // Владикавказский математический журнал. 2019. Т. 21, № 3. С. 31-49. doi: 10.23671/VNC.2019.3.36460.
Шабловский О.Н. Разрывное конически симметричное течение идеальной несжимаемой жидкости // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2024. № 88. С. 149-163. doi: 10.17223/19988621/88/12.
 Unstable perturbations in a swirling flow of an ideal incompressible fluid in the regions with open boundaries | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2025. № 98. DOI: 10.17223/19988621/98/14

Unstable perturbations in a swirling flow of an ideal incompressible fluid in the regions with open boundaries | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2025. № 98. DOI: 10.17223/19988621/98/14

Download full-text version
Counter downloads: 42