1. Изучение нелинейных волн на заряженной поверх- Проводимое исследование актуально и в связи с ности несжимаемой жидкости представляет значитель- тем, что в последние годы начались аналитические ный интерес в связи с многочисленными академически- исследования нелинейных периодических волн на зарями, техническими и технологическими приложениями женной поверхности вязкой жидкости как бесконечно феномена (см., например, обзоры [1Ц4]). Особенно часто глубокой [24,25], так и в слоях конечной толщины [4,26].
с обсуждаемым феноменом приходится сталкиваться в Однако полученные в указанных работах аналитические ситуации, когда глубина слоя жидкости конечна [1Ц4]. решения весьма громоздки даже во втором порядке В этой связи встает вопрос о влиянии толщины слоя малости, и исследование конкретных зависимостей межжидкости на закономерности реализации волнового дви- ду физическими характеристиками нелинейной волны жения и реализации неустойчивости ее заряженной приходится проводить на основе численного аналиповерхности. Эта тема неоднократно рассматривалась в за полученных громоздких аналитических выражений.
научной литературе, но либо в линейной постановке [5], Поэтому многие представляющие интерес физические либо в нелинейной, но без заряда на поверхности зависимости нелинейного волнового процесса на заряжидкости [6,7], либо в солитонной постановке [8Ц10]. До- женной поверхности жидкости, в частности нелинейные статочно много аналитических исследований посвящено поправки к частотам волн, удобнее анализировать на исследованию нелинейных периодических капиллярно- модели идеальной жидкости, в которой аналитические гравитационных волн на заряженной поверхности бес- выражения конечных результатов вполне компактны конечно глубокой идеальной жидкости [11Ц19]. Сама даже в расчетах до пятого порядка малости [19].
проблема аналитического исследования нелинейных пе- 2. Пусть идеальная несжимаемая электропроводная риодических волн на свободной поверхности жидкости жидкость плотностью, с коэффициентом поверхностсформулирована давно и разработано несколько раз- ного натяжения заполняет в поле сил тяжести бесколичных регулярных асимптотических методов ее ис- нечный в горизонтальном направлении слой 0 z h в следования [20Ц23], но среди них наибольшей эффек- декартовой системе координат, орт ez которой направлен тивностью выделяется метод многих масштабов. Этот противоположно ускорению силы тяжести g. Примем, метод и будет использован ниже в исследовании, целью что по поверхности слоя жидкости, находящейся в которого является определение аналитического выра- электростатическом поле напряженностью E0, коллинежения для профиля нелинейной бегущей капиллярно- арном g, в положительном направлении оси Ox распрогравитационной волны на заряженной свободной по- страняется плоская бегущая волна малой амплитуды a с верхности слоя идеальной электропроводной жидкости волновым числом k и частотой конечной глубины в четвертом порядке малости по амплитуде, которую будем считать малой по сравнению t = 0 : (x, t) =a cos(kx - t); ka 1, (1) с длиной волны (расчет в том же порядке малости потенциала поля скоростей волнового течения жидкости возмущающая равновесную свободную поверхность и потенциала электростатического поля над жидкостью), жидкости z = h, так что ее уравнение принимает вид а также отыскание нелинейной поправки к частоте. z = h + (x, t).
Нелинейные периодические волны на заряженной поверхности слоя идеальной жидкости... Математическая формулировка задачи о расчете нели- 3. Разобъем сформулированную задачу по порядкам нейного волнового движения на поверхности слоя иде- малости, полагая, что неизвестными функциями являютальной, несжимаемой, электропроводной жидкости ко- ся возмущение свободной поверхности = (x, t), понечной глубины, граничащей с вакуумом, в препендику- тенциал поля скоростей течения жидкости = (x, z, t) лярном свободной поверхности жидкости электростати- и электрический потенциал = (x, z, t). Искать их ческом поле напряженностью E0 имеет следующий вид: будем в виде разложений по малому безразмерному параметру a k 0 < z < h + : = 0, = 1 + 22 + 33 + 44 + O(5), z = 0 : = 0, = (x, z, T0, T1, T2, T3). n n z Тогда на основе правила дифференцирования сложной z : E0z. функции оператор взятия частной производной по вре2 -3/мени /t примет вид P + x2 x = + + 2 + 3 + O(4). (4) E2() t T0 T1 T2 TPE, Pg g(h + ). (2) Подставляя (3), (4) в задачу (1), (2) и собирая коP, PE и Pg Ч давление сил поверхностного натяжения эффициенты при одинаковых степенях и приравнивая под искривленной волновым движением свободной поих к нулю, получим задачи нулевого, первого, второго, верхностю жидкости, давление сил электрического поля третьего и четвертого порядков малости. и гравитационное давление. 4. В нулевом порядке малости свободная поверхность В сформулированной задаче принято, что гидродинажидкости находится в невозмущенном состоянии и мические скорости на много порядков меньше скороописывается уравнением z = h, жидкость покоится, а сти распространения электромагнитных волн и в этом электрическое поле однородно во всем пространстве приближении система уравнений Максвелла для отыскания изменяющегося во времени электрического поля E0 0, PE = -, -E0 ez. над изменяющейся во времени свободной поверхностью жидкости сводится к уравнению Лапласа с соответствующими граничными условиями для определения 5. Математическая формулировака задачи первого попотенциала электростатического поля над жидкостью, рядка малости имеет вид поскольку скорость выравнивания электрического по0 < z < h : 1 = 0, тенциала поверхности идеально проводящей жидкости при ее деформировании волной можно принимать бесh < z < : = 0, конечно большой. Для однозначной разрешимости задачи (1), (2) необ1 z = h : - = 0, хоидмо сформулировать еще одно начальное условие. T0 z В подобных задачах полностью определенные заранее 1 21 E0 начальные условия могут привести к неоправданной гро + g1 - + = 0, T0 x2 4 z моздкости решения. Поэтому, как это принято в задачах подобного типа [11Ц14,17Ц26], второе начальное условие 1 0 + = 0, будем выбирать по ходу решения таким образом, чтобы z результирующие выражения для возмущения свободной поверхности (x, t), потенциалов поля скоростей волz = 0 : = 0, z нового течения жидкости (r, t) и электрического поля (r, t) имели наиболее простой вид. z : 0. Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 46 С.А. Курочкина, А.И. Григорьев E02 E0k Решение задачи первого порядка малости легко полу = (cth(kh))2 - 1 + чается классическими методами в виде 4g 1 k 1 = exp(i) + exp(-i), kx - T0, + E0 exp 2k(h - z ) + 2 2 i ch(kz ) exp(2i) + exp(-2i). (6) 1 = - exp(i) + exp(-i), 2k sh(kh) Коэффициент, входящий в полученное решение, будет определен ниже. E0 = exp k(h - z ) exp(i) + exp(-i), При отыскании решения второго порядка малости (6) мы использовали второе начальное условие в виде треk E0k бования обращения в нуль амплитудного коэффициента 2 = th (kh) g + k2 -, (5) при нелинейной поправке к решению первого порядка, имеющей тот же, что и у линейного решения (а не Ч частота; = (T1, T2, T3) Ч неизвестная комплексудвоенный), аргумент косинуса. ная функция времени, которая определяется из решения 7. В третьем порядке малости получим задачу задач более высоких порядков малости; горизонтальная черта здесь и далее обозначает операцию комплексного 0 < z < h : 3 = 0, сопряжения. 6. Математическая формулировка задачи второго по- h < z < : = 0, рядка малости имеет вид 3 3 2 1 2 z = h : - = - - T0 z T1 T2 x x 0 < z < h : 2 = 0, 1 2 21 - - h < z < : = 0, x x xz x 2 2 1 1 1 21 22 1 z = h : - + = + - 1 2, + 2 2 + 1 2 + 1 3, T0 z T1 x x z z z 2 z 3 23 E0 2 22 E0 - - g3 + - + -g2 + T0 x2 4 z T0 x2 4 z 1 2 21 1 21 1 1 2 1 1 = + + 1 + = + 1 + + T2 T1 T1z T0z T1 T0z 2 x 2 z 21 1 31 1 1 1 2 1 1 2 E0 2 + 2 + 1 2 + - - + 1 21, T0z 2 T0z x x 8 x 8 z 4 z 1 21 1 2 1 + 1 + + 1 x xz z z z z 2 0 + = -1 1. z z 3 21 1 2 1 1 1 + - - 1 1 z = 0 : = 0, 2 x2 x 4 x x 4 x xz z 1 1 2 E0 1 z : 0. - - 1 1 1 + 1 4 z z 4 z z 4 z Подставляя в функции неоднородностей решения заE0 2 E0 2 дачи первого порядка малости (5), можно получить + 2 21 + 1 31, 4 z 8 z решение задачи второго порядка малости 1 - E0 3 = -1 2 - 2 1 - 1 21, 2 z z 2 z 2 = 1 - cth(kh) 4g z = 0 : = 0, 2 + exp(2i) + exp(-2i), z z : 0. i ch(2kz ) k 2 = cth(kh) - Подставляя в функции неоднородностей решения заk sh(2kh) дач первого и второго порядков малости (5), (6), можно 2 отыскать решение задачи третьего порядка малости exp(2i) - exp(-2i), Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Нелинейные периодические волны на заряженной поверхности слоя идеальной жидкости... после математически несложной, но громоздкой про- идеальной жидкости с однородно распределенным по цедуры равновесной свободной поверхности жидкости электрическим зарядом (1), (2), а именно выражения для 3 = exp(3i) + exp(-3i), возмущения свободной поверхности (x, t), потенциа лов поля скоростей (x, z, t) и электрического поля ch(kz ) (x, z, t), выпишем в безразмерных переменных, в ко3 = - - i exp(i) - exp(-i) 2k sh(kh) торых = = g = 1. В таких переменных характерные масштабы размерных величин записываются как (3i + ) ch(3kz ) 3 - exp(3i) - exp(3i), 1/3k sh(3kh) 1/1/g3 g =, k =, h =, = exp k(h - z ) exp(i) + exp(i) 3 2 g 1/+ exp 3k(h - z )(E0 + ) E0 =( g)1/4, a =. g 3 exp(3i) + exp(-3i). (7) Найденное решение в безразмерной форме, если за В задаче третьего порядка малости как результат ее всеми безразмерными величинами сохранить прежние решения также получена зависимость функции от обозначения, имеет вид временных масштабов T2, T = a cos( + a2 t) +a2 1 - cth(kh) = 1(T3) exp i 0(T3) exp(i 1 T2). (8) В выписанных выражениях,,,,, Ч 1 2 1 + 2a2 cos(2 + 2a2 t) +2a3 cos(3), коэффициенты, вид которых будет определен ниже. Функции 1 и 0, зависящие только T3, определятся из a ch(kz ) = sin( + a2 t) решения задачи четвертого порядка малости. k sh(kh) 8. Математическая формулировка задачи четвертого ch(2kz ) k порядка малости имеет вид + a2 - cth(kh) + sin(2 + 2a2 t) k sh(2kh) 0 < z < h : 4 = 0, ch(kz ) - a3 i + sin() h < z < : = 0, k sh(kh) 4 z = h : - + = H41, 2(-3 + i ) ch(3kz ) T0 z - a3 sin(3), 3k sh(3kh) 4 24 E0 - - g 4 + - = H42, = - 4Wz + a 4W exp k(h - z ) cos( + a2 t) T0 x2 4 z E0 4 - = H43, 2 W + a2 cth(kh) - 1 + k W z = 0 : = 0, z k z : 0, + 4a2 W exp 2k(h - z ) + cos(2 + 2a2 t) где выражения для функций неоднородностей H41, H42, + 2a3 exp k(h - z ) cos(3) H43, определяющихся через решения первого, второго и третьего порядков малости (5)-(8) и имеющих громозд- + 2a3 exp 3k(h - z ) 4W + cos(3), (9) кий вид приведены в Приложении. Результат решения задачи четвертого порядка малогде частота определяется из дисперсионного уравсти при принятом начальном условии имеет вид нения 4 = 4 = = 0, 1 = 1/k, 0 = 0. 2 =(k + k3 - Wk2) th (kh), W = E0 /4 g, Это означает, что в решении всей задачи будут W Ч безразмерный параметр ТонксаЦФренкеля, харакотсутствовать добавки четвертого порядка малости к теризующий устойчивость свободной поверхности жидвозмущению свободной поверхности слоя жидкости, а кости по отношению к поверхностному заряду. также к гидродинамическому и электростатическому Постоянные коэффициенты, входящие в решение запотенциалам.