Морозов Введение в теорию горячей плазмы Ч.1 2011
.pdfВведем также обозначение u H/ 4 Линеаризованные МГД - уравнения принимают
вид:
|
|
|
|
|
|
divv′ 0 , |
|
|
(VI.3.7) |
||||
|
|
|
|
|
∂u′ |
u, v′ |
− v, u′, |
|
(VI.3.8) |
||||
|
|
|
|
|
∂t |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂v′ |
v0, v′ − |
1 |
P′ − u0, rotu′ . |
(VI.3.9) |
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
∂t |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Представим правую часть уравнения (VI.3.9) в |
|
||||||||||||
виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
− |
1 |
P′ u0, u′ u0, u′ |
и |
возьмем |
|
||||||||
|
|
||||||||||||
дивергенцию от этого уравнения |
|
|
|
||||||||||
|
|
div v0, v′ |
− |
1 |
P′ − div u, , u′ . |
(VI.3.10) |
|||||||
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Левая часть уравнения обращается в ноль. Это легко показать в компонентах. Пусть v0 направлена вдоль оси x.
∂∂x v0 ∂∂x v′x ∂∂y v0 ∂∂x v′y ∂∂z v0 ∂∂x v′z
v0 ∂∂x divv′ 0.
Последний член в (VI.3.10) можно представить в виде: div u, , u′ div u0, u′ − u0, u′ 0 в
силу divv′ 0
В результате получаем:
161
P′ uu′ 0. |
(VI.3.11) |
Пусть плоскость разрыва совпадает с плоскостью x 0, а v и u параллельны этой плоскости. Будем искать решение для возмущения в виде e−i tikyyxiktz æx, причем
æ0 при x 0;
æ0 при x 0.
Вэтом случае возмущение будет затухать при
x→ .
Тогда из уравнения (VI.3.11) получаем
k2 − æ2 p′k, uu′k, 0 ,
что дает |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k2 æ2. |
|
|
(VI.3.12) |
||||
Из x – компоненты уравнения (VI.3.9) имеем: |
|
||||||||
ux′ u0, k vx′ − k, v0 ux′ 0 , |
(VI.3.13) |
||||||||
а из x – компоненты (VI.3.10): |
|
|
|
||||||
′ |
æ |
|
′ |
|
′ |
|
′ |
|
|
k, v0 − vx |
− |
|
P |
|
u0, u |
ux ku0 |
(VI.3.14) |
||
|
|
||||||||
Подставляя последнее vx′ из (VI.3.13), имеем: |
|
||||||||
P′ u0u′ −ux′ |
|
|
|
(VI.3.15) |
|||||
æ k, u0 |
|||||||||
− k, v0 2 − k, u0 2 . |
|
||||||||
Пусть y, z, t |
– |
|
смещение |
поверхности |
|
162
разрыва в направлении x. |
|
|
|
|
|||
Условия P |
Ht2 |
0, |
Hn 0 на смещенной |
|
|||
8 |
|
||||||
поверхности дают: |
|
|
|
|
|
||
P u0 |
u′ 2 P 2 u0, u′ |
0, |
(VI.3.16) |
||||
un1 |
un′ 1 |
≈ ux′1 |
− u1, 0, |
|
(VI.3.17) |
||
un2 |
un′ 2 |
≈ ux′2 |
− u2, 0. |
|
(VI.3.18) |
Компонента возмущенной скорости u′n состоит из двух частей: вариации на возмущенной границе и появившейся нормальной составляющей за счет искривления границы:
|
un′ un′ |
x 0 un0 sin , |
|
(VI.3.19) |
||
где – угол между осью x и касательной к |
|
|||||
возмущенной границе. Угол мал, поэтому можно |
|
|||||
положить ≈ tg ≈ |
|
∂ |
, где l – координата вдоль |
|
||
|
∂l |
|
||||
невозмущенной границы. |
|
|
||||
Ищем |
в виде const eikr−i t. |
С помощью |
|
|||
(VI.3.15) раскрываем (VI.3.16) и, выражая ux′1 и ux′2 |
|
|||||
через , u1, u2 и k, получаем дисперсионное |
|
|||||
уравнение |
|
|
|
|
|
|
− kv1 2 − kv2 2 ku1 2 ku2 2. |
(VI.3.20) |
|||||
Плазма устойчива, т.е. отсутствуют решения c |
|
|||||
Im 0, |
если |
|
положителен |
детерминант |
|
квадратного уравнения:
163
2 ku1 2 2 ku2 2 − k, v2−v1 2 0,
или
2kikk u1iu1x u2iu2k − kikx v2k − v1k |
(VI.3.21) |
v2i − v1i ≥ 0.
Это неравенство должно выполняться для всех k. Это можно переписать так:
|
|
kikkAik ≥ 0. |
|
(VI.3.22) |
|
Если ввести |
величину |
v v2−v1, матрицу |
|
||
можно переписать так: |
|
|
|
||
Aik |
2u12x 2u22x − vx |
2u1xu1y 2u2xu2y − vxvy |
(VI.3.23) |
||
2u1yu1x 2u2yu2x − v2yvx |
|
2u12y 2u22y − vy2 |
|||
Квадратичная форма kikkAik неотрицательна, |
|
||||
если неотрицательны SpAik и DetAik |
|
||||
|
SpAik |
2u12 2u22 |
− v2 0, |
(VI.3.24) |
|
|
DetAi1 4 u1u2 2 − u1v 2 |
− u2v 2 ≥ 0. |
(VI.3.25) |
||
Это можно переписать так: |
|
|
|||
|
u1, H2 |
≥ 2 H1, v 2 H2, v 2, |
(VI.3.26) |
||
|
H1, H2 2 |
≥ 2 H1, v 2 H2, v 2 . |
(VI.3.27) |
Одновременное выполнение этих двух условий
164
и является условием устойчивости тангенциального разрыва.
В заключение оценим времена расплывания разрывов. Пусть все величины зависят только от x. Оценим сначала скорость расплывания за счет конечной проводимости. Уравнение для магнитного поля напишется в виде
|
∂H |
v, H |
|
H, v |
|
|
|
|
c |
H. |
(VI.3.28) |
||||||||||||
|
∂t |
|
4 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Его тангенциальная составляющая дает: |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
∂Ht |
|
|
|
c2 |
|
|
∂2Ht |
. |
|
|
(VI.3.30) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
∂t |
|
4 ∂x2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Пусть – время, за которое размывается разрыв, |
|
||||||||||||||||||||||
а - его ширина, тогда оценка дает: |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Ht |
|
|
|
|
c2 |
|
|
Ht |
|
, |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
2 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c2t |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
(VI.3.31) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т.е. ширина слоя растет как корень из времени. С другой стороны, скорость расплывания разрыва
за счет вязкости можно оценить так: |
|
|
|||||
|
∂vt |
≈ vt , что дает |
vt |
|
vt |
, т. е. |
t . |
|
∂t |
t |
2 |
||||
|
|
|
|
|
И в этом случае зависимость корневая.
165
Глава VII. Ударные волны
VII.1. Общие соотношения
Весьма специфическим и практически интересным типом разрывов являются ударные волны. Природу таких волн проще всего объяснить на примере образования ударной волны в изначально однородной и изотропной среде. Пусть в начальный момент времени из точки x0 излучается сгущающий импульс. В линейном приближении мы пренебрегаем изменениями среды, по которой такой импульс пробежал. Реально энергия звуковой волны диссипируется в среде и нагревает ее. Следующий импульс, испущенный из точки x0 в момент времени t2, будет распространяться уже по более плотной среде и, соответственно, иметь большую скорость. То же можно сказать и о последующих импульсах. Таким образом, импульсы догоняют и усиливают друг друга, образуя ударный фронт. Если же распространяется импульс разрешения, то последующие импульсы разрешения отстают от него и ударного фронта не образуют. Ситуация может быть иной в излучающей плазме.
Итак, рассмотрим разрывы, сквозь границу которых имеется поток вещества j ≠ 0 и наблюдается скачок плотности ≠ 0.
Нормальная составляющая магнитного поля
166
может быть как равна нулю, так и иметь конечную величину. Рассмотрим сначала случай Hn ≠ 0.
Тогда из (VI.2.14-15) имеем:
Ht |
|
|
|
|
|
Hn |
vt , |
(VII.1.1) |
|||||
|
|
|
|
4 j |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ht |
|
|
|
|
|
|
Hn |
vt , |
(VII.1.2) |
|||
|
|
|
|
|
|
j |
|||||||
т.е. скачки Ht и |
|
|
|
Ht |
|
параллельны |
между |
||||||
|
|
|
|||||||||||
собой. Из этого следует, что |
|
|
|
||||||||||
|
H1t |
H2t. |
|
|
(VII.1.3) |
||||||||
Если же Hn 0, то |
H1t |
|
|
H2t |
. Это означает, что |
||||||||
1 |
|
2 |
на границе направление магнитного поля не меняется. В обоих случаях лежит в той же плоскости, что H1 и H2.
Перейдем в систему координат, движущуюся со скоростью
v vt − |
vn |
Ht vt − |
j |
Ht |
(VII.1.4) |
|
Hn |
||||
|
Hn |
|
|
Hn ≠ 0
Значения этой величины одинаковы по обе стороны разрыва вследствие (VI.2.14). Таким переходом можно добиться того, чтобы v и H были параллельны друг другу по обе стороны границы.
Исключая vt из (VI.2.13) и (VI.2.14),
получаем:
167
|
|
|
|
|
j |
2 |
|
Ht |
|
|
Hn2 |
|
Ht . |
|
|
|
|
|
(VII.1.5) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Здесь мы заменим вектор Ht его модулем Ht, т.к. |
|||||||||||||||||||||||
Ht1 Ht2. Теперь (VI.2.11) можно переписать так: |
|
||||||||||||||||||||||
w |
j2 |
|
1 |
|
|
|
1 |
vt |
− |
|
Hn |
Ht |
2 |
|
1 |
|
Ht2 |
|
|||||
2 |
|
2 |
|
|
2 |
4 j |
|
4 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Третий член в левой части обращается в ноль в силу (VI.2.13). Подставим j2 из (VI.1.5) в последний член, а во 2-й член – ту же величину из (VI.2.12), т.е.
j2 |
|
P2 − P1 |
|
1 |
|
Ht22 − Ht12 |
1 2 . |
(VII.1.6) |
||||||||||||
|
|
8 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
2 − 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
В результате с учетом w |
P |
имеем: |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
2 |
− 1 |
|
|
P1 |
P2 |
|
1 |
− |
1 |
|
(VII.1.7) |
|||||||||
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
1 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
− |
|
1 |
|
Ht2 |
− Ht1 2. |
|
||||||
|
16 |
2 |
|
1 |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Это соотношение называется ударной адиабатой и связывает скачки H, P и Оно отличается от адиабаты в обычной газовой динамике наличием члена с магнитным полем. Таким образом, нами получен аналог адиабаты Гюгонио в обычной гидродинамике [12].
Добавив к адиабате уравнение (VI.2.13), его удобнее переписать в виде vt2 − vt1 4Hnj Ht2− Ht1 .
В результате получаем полную систему
168
уравнений для ударной волны.
VII.2. Слабые ударные волны
Рассмотрим слабые ударные волны. При
стремлении скачков к нулю скорость распределения должна стремиться к скорости распространения линейных волн. Таких скоростей две: u2 и u3 (u1– скорость распространения вращательного разрыва). Разложим уравнение адиабаты по скачку давления
w2 − w1 |
|
|
|
|
|
|
T s2 − s1 |
|
|
1 |
P2 − P1 |
|
|
(VII.2.1) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
∂ |
|
1 |
|
s P2 |
− P1 2 |
|
|
|
|||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
∂p1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
∂2 |
|
|
|
|
1 |
|
s P2 |
− P1 3, |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
6 |
∂p12 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
1 |
− |
|
1 |
|
|
|
|
|
∂ |
|
|
1 |
|
|
s P2 − P1 |
|
|
(VII.2.2) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
∂P1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
P2 |
|
|
P1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
∂2 |
|
|
1 |
|
s P2 − P1 2, |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
∂P12 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
T s2 − s1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
∂2 |
|
|
|
|
1 |
s P2 − P1 3 |
|
(VII.2.3) |
||||||||||||||||
|
12 |
|
|
|
|
∂P12 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
169
|
1 |
|
∂ |
|
1 |
s P2 |
− P1 H2t |
− H1t 2. |
|
8 |
∂P1 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Здесь производные берутся при постоянной энтропии s. В замкнутой системе энтропия не может убывать (это, естественно, не относится к излучающей плазме), т.е. s2 ≥ s1
Но
|
∂ |
|
1 |
s |
0 : |
(VII.2.4) |
|
∂P |
|
||||||
|
|
|
|
|
Кроме того, для большинства сред
|
∂2 |
|
1 |
s |
0. |
(VII.2.5) |
|
∂P2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
Из условия s2 ≥ s1 получаем
P2 ≥ P1, 2 |
1. |
(VII.2.6) |
Рассмотрим теперь характер изменения магнитного поля. Для слабых возмущений, как и для магнитных волн, можно положить для скачков плотности и магнитного поля:
≈ ′ |
0 |
vx′ |
(VII.2.7) |
u0 |
|||
. |
|
|
|
Ht2 ≈ 2HyH̃y. |
(VII.2.8) |
Тогда с помощью уравнения
170