बेल्ट्रामी प्रवाह

द्रव गतिकी में, बेल्ट्रामी प्रवाह वे प्रवाह होते हैं जिनमें भंवर वेक्टर $\mathbf {\omega }$ होता है और वेग वेक्टर $\mathbf {v}$ एक दूसरे के समानांतर हैं. दूसरे शब्दों में, बेल्ट्रामी प्रवाह एक ऐसा प्रवाह है जहां मेमना वेक्टर शून्य है। बेल्ट्रामी वेक्टर फ़ील्ड की व्युत्पत्ति के कारण इसका नाम इतालवी गणितज्ञ यूजेनियो बेल्ट्रामी के नाम पर रखा गया है, जबकि द्रव गतिकी में प्रारंभिक विकास 1881 में रूसी वैज्ञानिक इप्पोलिट एस. ग्रोमेका द्वारा किया गया था।

विवरण

वर्टिसिटी वेक्टर के बाद से ${\boldsymbol {\omega }}$ और वेग वेक्टर $\mathbf {v}$ एक दूसरे के समानांतर हैं, हम लिख सकते हैं

${\boldsymbol {\omega }}\times \mathbf {v} =0,\quad {\boldsymbol {\omega }}=\alpha (\mathbf {x} ,t)\mathbf {v} ,$

कहाँ $\alpha (\mathbf {x} ,t)$ कुछ अदिश फलन है. बेल्ट्रामी प्रवाह का एक तात्कालिक परिणाम यह है कि यह कभी भी समतल या अक्षसममितीय प्रवाह नहीं हो सकता क्योंकि उन प्रवाहों में, भंवर हमेशा वेग क्षेत्र के लंबवत होता है। दूसरे महत्वपूर्ण परिणाम का एहसास असंपीड्य भंवर समीकरण को देखकर होगा

${\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}}{\partial t}}+(\mathbf {v} \cdot \nabla ){\boldsymbol {\omega }}-({\boldsymbol {\omega }}\cdot \nabla )\mathbf {v} =\nu \nabla ^{2}{\boldsymbol {\omega }}+\nabla \times f,$

कहाँ $\mathbf {f}$ एक बाहरी निकाय बल जैसे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र, विद्युत क्षेत्र आदि है, और $\nu$ गतिज श्यानता है. तब से ${\boldsymbol {\omega }}$ और $\mathbf {v}$ समानांतर हैं, उपरोक्त समीकरण में गैर-रैखिक पद समान रूप से शून्य हैं $(\mathbf {v} \cdot \nabla ){\boldsymbol {\omega }}=({\boldsymbol {\omega }}\cdot \nabla )\mathbf {v} =0$. इस प्रकार बेल्ट्रामी प्रवाह रैखिक समीकरण को संतुष्ट करता है

${\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}}{\partial t}}=\nu \nabla ^{2}{\boldsymbol {\omega }}+\nabla \times f.$

कब $\mathbf {f} =0$, भंवर के घटक एक साधारण ताप समीकरण को संतुष्ट करते हैं।

ट्रैकलियन प्रवाह

विक्टर ट्रकल ने 1919 में बेल्ट्रामी प्रवाह को बिना किसी बाहरी ताकत के माना अदिश फलन के लिए $\alpha (\mathbf {x} ,t)=c={\text{constant}}$, अर्थात।,

${\frac {\partial {\boldsymbol {\omega }}}{\partial t}}=\nu \nabla ^{2}{\boldsymbol {\omega }},\quad {\boldsymbol {\omega }}=c\mathbf {v} .$

चरों के निम्नलिखित पृथक्करण का परिचय दें

$\mathbf {v} =e^{-c^{2}\nu t}\mathbf {g} (\mathbf {x} ),$

तब समीकरण संतुष्ट होता है $\mathbf {g} (\mathbf {x} )$ बन जाता है

$\nabla \times \mathbf {g} =c\mathbf {g} .$

चन्द्रशेखर-केंडल फलन|चन्द्रशेखर-केंडल फलन इस समीकरण को संतुष्ट करते हैं।

बर्कर का समाधान

tr:रैटिप बर्कर ने कार्टेशियन निर्देशांक में समाधान प्राप्त किया $\mathbf {g} (\mathbf {x} )$ 1963 में,

$\mathbf {g} =\cos \left({\frac {cx}{\sqrt {2}}}\right)\sin \left({\frac {cy}{\sqrt {2}}}\right)\left[-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\mathbf {e_{x}} +{\frac {1}{\sqrt {2}}}\mathbf {e_{y}} +\mathbf {e_{z}} \right].$

सामान्यीकृत बेल्ट्रामी प्रवाह

सामान्यीकृत बेल्ट्रामी प्रवाह स्थिति को संतुष्ट करता है

$\nabla \times (\mathbf {v} \times {\boldsymbol {\omega }})=0$

जो बेल्ट्रामी शर्त से कम प्रतिबंधात्मक है $\mathbf {v} \times {\boldsymbol {\omega }}=0$. सामान्य बेल्ट्रामी प्रवाह के विपरीत, सामान्यीकृत बेल्ट्रामी प्रवाह का अध्ययन समतल और अक्षीय प्रवाह के लिए किया जा सकता है।

स्थिर तलीय प्रवाह

स्थिर सामान्यीकृत बेल्ट्रामी प्रवाह के लिए, हमारे पास है $\nabla ^{2}{\boldsymbol {\omega }}=0,\ \nabla \times (\mathbf {v} \times {\boldsymbol {\omega }})=0$ और चूँकि यह समतलीय भी है इसलिए हमारे पास है $\mathbf {v} =(u,v,0),\ {\boldsymbol {\omega }}=(0,0,\zeta )$. स्ट्रीम फ़ंक्शन का परिचय दें

$u={\frac {\partial \psi }{\partial y}},\quad v=-{\frac {\partial \psi }{\partial x}},\quad \Rightarrow \quad \nabla ^{2}\psi =-\zeta .$

का एकीकरण $\nabla \times (\mathbf {v} \times {\boldsymbol {\omega }})=0$ देता है $\zeta =-f(\psi )$. इसलिए, पूर्ण समाधान संभव है यदि यह निम्नलिखित तीनों समीकरणों को संतुष्ट करता है

$\nabla ^{2}\psi =-\zeta ,\quad \nabla ^{2}\zeta =0,\quad \zeta =-f(\psi ).$

एक विशेष मामले पर विचार किया जाता है जब प्रवाह क्षेत्र में एक समान भंवरता होती है $f(\psi )=C={\text{constant}}$. वांग (1991) के रूप में सामान्यीकृत समाधान दिया

$\zeta =\psi +A(x,y),\quad A(x,y)=ax+by$

के लिए एक रैखिक कार्य ग्रहण करना $A(x,y)$. इसे वर्टिसिटी समीकरण में प्रतिस्थापित करना और चरों के पृथक्करण का परिचय देना $\psi (x,y)=X(x)Y(y)$ पृथक्करण स्थिरांक के साथ $\lambda ^{2}$ का परिणाम

${\frac {d^{2}X}{dx^{2}}}+{\frac {b}{\nu }}{\frac {dX}{dx}}-\lambda ^{2}X=0,\quad {\frac {d^{2}Y}{dy^{2}}}-{\frac {a}{\nu }}{\frac {dY}{dy}}+\lambda ^{2}Y=0.$

के विभिन्न विकल्पों के लिए प्राप्त समाधान $a,\ b,\ \lambda$ अलग-अलग तरह से व्याख्या की जा सकती है, उदाहरण के लिए, $a=0,\ b=-U,\lambda ^{2}>0$ एक समान ग्रिड के नीचे की ओर प्रवाह का प्रतिनिधित्व करता है, $a=-U,\ b=0,\lambda ^{2}=0$ एक स्ट्रेचिंग प्लेट द्वारा निर्मित प्रवाह का प्रतिनिधित्व करता है, $a=-U,\ b=U,\lambda ^{2}=0$ एक कोने में प्रवाह का प्रतिनिधित्व करता है, $a=-V,\ b=-U,\lambda ^{2}=0$ एक ब्लासियस सीमा परत#एसिम्प्टोटिक सक्शन प्रोफ़ाइल आदि का प्रतिनिधित्व करता है।

अस्थिर तलीय प्रवाह

यहाँ,

$\nabla ^{2}\psi =-\zeta ,\quad {\frac {\partial \zeta }{\partial t}}=\nabla ^{2}\zeta ,\quad \zeta =-f(\psi ,t)$.

टेलर के क्षयकारी भंवर

जी. आई. टेलर ने एक विशेष मामले का समाधान दिया $\zeta =K\psi$, कहाँ $K$ 1923 में एक स्थिरांक है। उसने दिखाया कि जुदाई $\psi =e^{-\nu \lambda t}\Psi (x,y)$ समीकरण को भी संतुष्ट करता है

$\nabla ^{2}\Psi =-\lambda \Psi .$

टेलर ने एक उदाहरण पर भी विचार किया, विपरीत दिशाओं में वैकल्पिक रूप से घूमते हुए और एक आयताकार सरणी में व्यवस्थित भँवरों की एक क्षयकारी प्रणाली

$\Psi =A\cos {\frac {\pi x}{d}}\cos {\frac {\pi y}{d}}$

जो उपरोक्त समीकरण को संतुष्ट करता है $\lambda =2\pi ^{2}/d^{2}$, कहाँ $d$ एक एड़ी द्वारा बनाए गए वर्ग की लंबाई है। इसलिए, भँवरों की यह प्रणाली क्षय के रूप में समाप्त हो जाती है

$\psi =A\cos \left({\frac {\pi x}{d}}\right)\cos \left({\frac {\pi y}{d}}\right)e^{-{\frac {2\pi ^{2}}{d^{2}}}\nu t}.$

ओ. वॉल्श ने 1992 में टेलर के एड़ी समाधान का सामान्यीकरण किया। वॉल्श का समाधान फॉर्म का है $\mathbf {v} =e^{-\nu \lambda t}\mathbf {u} (x,y)$, कहाँ $\nabla ^{2}\mathbf {u} =-\lambda \mathbf {u}$ और $\nabla \cdot \mathbf {u} =0.$

स्थिर अक्षसममितीय प्रवाह

हम यहाँ है $\mathbf {v} =\left(u_{r},0,u_{z}\right),\ {\boldsymbol {\omega }}=(0,\zeta ,0)$. का एकीकरण $\nabla \times (\mathbf {v} \times {\boldsymbol {\omega }})=0$ देता है $\zeta =rf(\psi )$ और तीन समीकरण हैं

${\frac {\partial }{\partial r}}\left({\frac {1}{r}}{\frac {\partial \psi }{\partial z}}\right)+{\frac {1}{r}}{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial z^{2}}}=-\zeta ,\quad \nabla ^{2}\zeta =0,\quad \zeta =rf(\psi )$

पहला समीकरण हिक्स समीकरण है. मैरिस और असवानी (1977) दिखाया कि एकमात्र संभावित समाधान है $f(\psi )=C={\text{constant}}$ और शेष समीकरण कम हो जाते हैं

${\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial r^{2}}}-{\frac {1}{r}}{\frac {\partial \psi }{\partial r}}+{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial z^{2}}}+Cr^{2}=0$

उपरोक्त समीकरण के समाधान का एक सरल सेट है

$\psi (r,z)=c_{1}r^{4}+c_{2}r^{2}z^{2}+c_{3}r^{2}+c_{4}r^{2}z+c_{5}\left(r^{6}-12r^{4}z^{2}+8r^{2}z^{4}\right),\quad C=-\left(8c_{1}+2c_{2}\right)$

$c_{1},c_{4}\neq 0,\ c_{2},c_{3},c_{5}=0$ एक परवलयिक सतह पर दो विपरीत घूर्णी धारा के कारण प्रवाह का प्रतिनिधित्व करता है, $c_{2}\neq 0,c_{1},c_{3},c_{4},c_{5}=0$ समतल दीवार पर घूर्णी प्रवाह का प्रतिनिधित्व करता है, $c_{1},c_{2},c_{3}\neq 0,\ c_{4},c_{5}=0$ एक प्रवाह दीर्घवृत्ताकार भंवर का प्रतिनिधित्व करता है (विशेष मामला - हिल का गोलाकार भंवर), $c_{1},c_{3},c_{5}\neq 0,\ c_{2},c_{4}=0$ एक प्रकार के टॉरॉयडल भंवर आदि का प्रतिनिधित्व करता है।

के लिए सजातीय समाधान $C=0$ जैसा कि बर्कर द्वारा दिखाया गया है

$\psi =r\left[A_{k}J_{1}(kr)+B_{k}Y_{1}(kr)\right]\left(C_{k}e^{kz}+D_{k}e^{-kz}\right)$

कहाँ $J_{1}(kr),Y_{1}(kr)$ क्रमशः प्रथम प्रकार का बेसेल फलन और दूसरे प्रकार का बेसेल फलन हैं। उपरोक्त समाधान का एक विशेष मामला दीवारों पर वाष्पोत्सर्जन वेग के साथ बेलनाकार ज्यामिति के लिए हेगन-पॉइज़ुइल समीकरण है। हैं-क्या yih ने 1958 में हेगन-पॉइज़ुइल समीकरण के लिए एक सिंक में एक समाधान खोजा जब $C=2,\,c_{1}=-1/4,\,c_{3}=1/2,\,c_{2}=c_{4}=c_{5}=B_{k}=C_{k}=0$.

द्रव यांत्रिकी में बेल्ट्रामी प्रवाह

Main article: Beltrami vector field § Beltrami fields and fluid mechanics

बेल्ट्रामी फ़ील्ड यूलर समीकरणों (द्रव गतिशीलता) का एक शास्त्रीय स्थिर समाधान हैं। बेल्ट्रामी क्षेत्र संतुलन में (आदर्श) द्रव यांत्रिकी में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, क्योंकि जटिलता केवल इन क्षेत्रों के लिए अपेक्षित है।

यह भी देखें

• अर्नोल्ड-बेल्ट्रामी-चाइल्ड्रेस प्रवाह|ग्रोमेका-अर्नोल्ड-बेल्ट्रामी-चाइल्ड्रेस (जीएबीसी) प्रवाह