Second integral generalization of the Crocco invariant for 3D flows behind detached bow shock wave

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Stationary flows of an ideal gas behind the detached bow shock are investigated in the general 3D case. The well-known integral invariant (V.N. Golubkin, G.B. Sizykh, 2019), generalizing the axisymmetric invariant of (L. Crocco, 1937) to asymmetric flows, is a curvilinear integral over a closed vortex line (such lines lie on isentropic surfaces), in which the integrand is the pressure divided by the vorticity. This integral takes on the same value on all (closed) vortex lines lying on one isentropic surface. It was obtained after the discovery of the fact that the vortex lines are closed in the flow behind the shock in the general 3D case. Recently, another family of closed lines behind the shock was found, lying on isentropic surfaces (G.B. Sizykh, 2020). It is given by vector lines a — the vector product of the gas velocity and the gradient of the entropy function. In the general 3D case, these lines and vortex lines do not coincide.

In the presented study, an attempt is made to find the integral invariant associated with closed vector lines a. Without using asymptotic, numerical and other approximate methods, the Euler equations are analyzed for the classical model of the flow of an ideal perfect gas with constant heat capacities. The concept of imaginary particles “carrying” the streamlines of a real gas flow, based on the Helmholtz–Zoravsky criterion, is used. A new integral invariant of isentropic surfaces is obtained. It is shown that the curvilinear integral over a closed vector line a, in which the integrand is the pressure divided by the projection of the vorticity on the direction a, has the same values for all lines a lying on one isentropic surface. This invariant, like another previously known integral invariant (V.N. Golubkin, G.B. Sizykh, 2019), in the particular case of non-swirling axisymmetric flows, coincides with the non-integral invariant of L. Crocco and generalizes it to the general spatial case.

About the authors

Grigory Sizykh

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Author for correspondence.
Email: o1o2o3@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5821-8596
SPIN-code: 5348-6492
Scopus Author ID: 6508163390
ResearcherId: ABI-3162-2020
http://www.mathnet.ru/person112378

Cand. Phys. & Math. Sci; Associate Professor; Dept. of Applied Mathematics

4, Volokolamskoe shosse, Moscow, 125993, Russian Federation

References

  1. Golubkin V. N., Sizykh G. B. On the vorticity behind 3-D detached bow shock wave, Adv. Aerodyn., 2019, vol. 1, 15. https://doi.org/10.1186/s42774-019-0016-5
  2. Crocco L. Eine neue Stromfunktion für die Erforschung der Bewegung der Gase mit Rotation [A new stream function for researching the movement of gases with rotation], ZAMM, 1937, vol. 17, no. 1, pp. 1–7 (In German). https://doi.org/10.1002/ZAMM.19370170103
  3. Golubkin V. N., Manuylovich I. S., Markov V. V. Fifth streamline invariant to axisymmetric swirling gas flows, Proceedings of MIPT, 2018, vol. 10, no. 2, pp. 131–135 (In Russian).
  4. Golubkin V. N., Sizykh G. B. Generalization of the Crocco invariant for 3D gas flows behind detached bow shock wave, Russian Math. (Iz. VUZ), 2019, vol. 63, no. 12, pp. 45–48. https://doi.org/10.3103/S1066369X19120053
  5. Sizykh G. B. System of Orthogonal Curvilinear Coordinates on the Isentropic Surface Behind a Detached Bow Shock Wave, Fluid Dyn., 2020, vol. 55, no. 7, pp. 899–903. https://doi.org/10.1134/s0015462820070095
  6. von Mises R. Mathematical Theory of Compressible Fluid Flow, Applied Mathematics and Mechanics, vol. 3. New York, Academic Press, 1958, vii+514 pp. https://doi.org/10.1016/b978-0-123-95621-7.x5001-x
  7. Prim R., Truesdell C. A derivation of Zorawski’s criterion for permanent vector-lines, Proc. Amer. Math. Soc., 1950, vol. 1, no. 1, pp. 32–34. https://doi.org/10.1090/S0002-9939-1950-0035136-9
  8. Truesdell C. The Kinematics of Vorticity. Bloomington, IU Press, 1954, xx+232 pp.
  9. Sizykh G. B. Entropy Value on the Surface of a Non-symmetric Convex Bow Part of a Body in the Supersonic Flow, Fluid Dyn., 2019, vol. 54, no. 7, pp. 907–911. https://doi.org/10.1134/S0015462819070139
  10. Mironyuk I. Yu., Usov L. A. The invariant of stagnation streamline for a stationary vortex flow of an ideal incompressible fluid around a body, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2020, vol. 24, no. 4, pp. 780–789 (In Russian). https://doi.org/10.14498/vsgtu1815
  11. Mironyuk I. Yu., Usov L. A. Stagnation points on vortex lines in flows of an ideal gas, Proceedings of MIPT, 2020, vol. 12, no. 4, pp. 171–176 (In Russian).
  12. Pontryagin L. S. Obyknovennye differentsial’nye uravneniia [Ordinary Differential Equations]. Izhevsk, Regular and Chaotic Dynamics, 2001, 400 pp. (In Russian)
  13. Truesdell C. On curved shocks in steady plane flow of an ideal fluid, J. Aeronaut. Sci., 1952, vol. 19, no. 12, pp. 826–828. https://doi.org/10.2514/8.2495
  14. Hayes W. D. The vorticity jump across a gasdynamic discontinuity, J. Fluid Mech., 1957, no. 2, pp. 595–600. https://doi.org/10.1017s0022112057000403

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2021 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».