C.R.Johnston直接法求解充液管中的非线性波

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充液弹性管内的非线性波是众多学者研究的热点,研究其传播特性具有重要的应用价值,如输油软管内流体的流动、人体动脉的血液流动等问题。研究充液弹性管中非线性波的传播特性所用的求解方法主要有:特征值法、逆散射法、傅立叶渐近法,以及随之产生的各种近似方法。在这些方法之中,摄动法是应用最为广泛的一种,但会产生较大的误差。而“C.R.Johnston直接法”直接求解原始支配方程,不依赖于扰动过程,能避免摄动法所存在的缺点。对一个给定的波速,孤波的准确波幅解仅要求解一个代数方程的根。对任意给定的数值,都可画出相应的波形。  本文利用“C.R.Johnston直接法”研究了充有不可压理想流体粘(弹)性管中非线性压力波的传播特性。论文研究内容主要有以下几个方面:  (1)讨论了液体为不可压缩理想流体、管壁为弹性材料且外部受弹性地基力的充液管中的非线性波动问题,由管壁法向动力平衡方程、流体动量守恒和质量守恒方程建立了系统的支配方程组。利用“C.R.Johnston直接法”和摄动法分别得到了系统的孤立波解,给出了两种方法所求结果的对比图。比较结果显示,“C.R.Johnston直接法”求解步骤简单,且求解结果精度高。  (2)讨论了流体为不可压理想流体,管壁为Kelvin-Vogit模型描述的粘弹性材料充液管的非线性波动问题,管壁外部受弹性地基力。推导得到了该流-固耦合系统的支配方程组,采用“C.R.Johnston直接法”求解得到了系统在给定参数下的准确孤波解。  (3)推导得到了忽略管壁外部弹性地基力后系统的支配方程组,经行波解处理后的方程虽满足“C.R.Johnston直接法”所要求的表达形式,但不满足其隐含条件,故采用“C.R.Johnston直接法”无法求解。采用约化摄动法求解系统的支配方程组,得到了演化方程及其退化条件下的KdV-Burgers方程和KdV方程。并得到了相应的振荡孤波解和孤波解,并且通过数值方法得到了上述解的物理图象。对特定系数的KdV方程,讨论了其单孤子解和双孤子解。
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