Numerical study of bifurcations in spiral fluid flow with free boundary
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2014.7.1.9Keywords:
viscous incompressible fluid, spiral flow, invariant solutions of Navier-Stokes equations, bifurcationAbstract
The plane stationary flows of viscous incompressible fluid with spiral lines of flow are considered. This class of solutions was discovered by G. Gamel in 1917. Later the solutions of Navier-Stokes equations with spiral lines of flow were explored by V. Pukhnachev, who observed that such solutions could be obtained using the group properties of Navier-Stokes equations and considered as the fluids with free boundaries. In this study, we solve the problem of determining the velocity of fluid flow in a region that is bounded either by a rigid fixed wall and a free boundary or by two free boundaries. The boundaries of the region have the form of logarithmic spirals. The flow rate of fluid through the origin of coordinates is given. The purpose of our work is to determine the relationship between the number of solutions and the parameter values. The parameters are dependent on the Reynolds number and circulation. The bifurcation lines separating the parameter domain into five parts were found analytically. Application of numerical methods makes it possible to find the solutions corresponding to each part. It is shown that multiple (from one to seven) solutions can exist.
Downloads
References
Hamel G. Spiralförmige Bewegungen zäher Flüssigkeiten // Jahr.-Ber. Deutsch. Math. Ver. -1917. - Bd. 25. - P. 34-60. (Перевод: Гамель Г. Спиралевидные движения вязкой жидкости // Нелинейная динамика. - 2009. - Т. 5, № 1. - С. 111-133).
2. Oseen C.W. Exakte Lösungen der hydrodynamischen Differentialgleichungen // Arkiv Mat. Astron. Fysik. - 1927. - Vol. 20, No. 14. - 24 p.
3. Rosenblatt A. Solutions exactes des équations du mouvement des liquides visqueux // Mémorial des Sciences Mathématiques. - 1935. - Fascicule LXXII. - P. 1-66.
4. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. - М.: Физматгиз, 1963. - Ч. 2. - 727 с.
5. Пухначев В.В. Плоское стационарное течение вязкой несжимаемой жидкости с прямолинейными свободными границами // Инф. бюллетень. Численные методы механики сплошной среды. - 1971. - Т. 2, № 4. - С. 67-75.
6. Пухначев В.В. Инвариантные решения уравнений Навье-Стокса, описывающие движения со свободной границей // ДАН СССР. - 1972. - Т. 202, № 2. - С. 302-305.
7. Андреев В.К., Капцов О.В., Пухначев В.В., Родионов А.А. Применение теоретико-групповых методов в гидродинамике. - Новосибирск: Наука, 1994. - 318 с.
8. Красносельский М.А. Топологические методы в теории нелинейных интегральных уравнений. - М.: Гостехиздат, 1956. - 392 с.
###
Hamel G. Spiralformige Bewegungen zaher Flussigkeiten // Jahr.-Ber. Deutsch. Math. Ver. -1917. - Bd. 25. - P. 34-60. (Perevod: Gamel’ G. Spiralevidnye dvizenia vazkoj zidkosti // Nelinejnaa dinamika. - 2009. - T. 5, No 1. - S. 111-133).
2. Oseen C.W. Exakte Losungen der hydrodynamischen Differentialgleichungen // Arkiv Mat. Astron. Fysik. - 1927. - Vol. 20, No. 14. - 24 p.
3. Rosenblatt A. Solutions exactes des equations du mouvement des liquides visqueux // Memorial des Sciences Mathematiques. - 1935. - Fascicule LXXII. - P. 1-66.
4. Kocin N.E., Kibel’ I.A., Roze N.V. Teoreticeskaa gidromehanika. - M.: Fizmatgiz, 1963. - C. 2. - 727 s.
5. Puhnacev V.V. Ploskoe stacionarnoe tecenie vazkoj neszimaemoj zidkosti s pramolinejnymi svobodnymi granicami // Inf. bulleten’. Cislennye metody mehaniki splosnoj sredy. - 1971. - T. 2, No 4. - S. 67-75.
6. Puhnacev V.V. Invariantnye resenia uravnenij Nav’e-Stoksa, opisyvausie dvizenia so svobodnoj granicej // DAN SSSR. - 1972. - T. 202, No 2. - S. 302-305.
7. Andreev V.K., Kapcov O.V., Puhnacev V.V., Rodionov A.A. Primenenie teoretiko-gruppovyh metodov v gidrodinamike. - Novosibirsk: Nauka, 1994. - 318 s.
8. Krasnosel’skij M.A. Topologiceskie metody v teorii nelinejnyh integral’nyh uravnenij. - M.: Gostehizdat, 1956. - 392 s.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2014 Computational Continuum Mechanics

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