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数量级物理学的故事(7):Taylor的“秘密武器”(2)

已有 5673 次阅读 2012-12-6 17:42 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 数量级物理学, 深水波, 浅水波

作为例子,我们用Π-定理再来研究一个与Taylor有关的著名物理问题:Rayleigh-Taylor不稳定性。

 

这是流体力学的一个基本问题,至今在核爆和惯性约束聚变过程中仍有重要应用。磁约束聚变里非常重要的压强驱动的磁流体不稳定性(交换模和气球模)本质上也是Rayleigh-Taylor不稳定性。

 

这个问题简单说来就是把一种重流体放到另一种轻流体上面,中间形成一个水平界面。力学上来说这是一种平衡状态:界面上重流体对界面的压力与轻流体对界面的“浮力”(向上的压力)相等。但是这种平衡是极其不稳定的——只要在界面上有任何扰动,上面的重流体都会与下面的轻流体“交换”位置。所以这种不稳定性也被称为“交换”不稳定性。问题是:这种不稳定性在特定的(比如波长为L,或者波数为k=2p/L)扰动下会如何增长?

 

     我们尝试用Π-定理来估算一下不稳定性的增长率(具有时间倒数的量纲)。

 

问题里我们知道的物理量是:上面流体的质量密度 r1,下面流体的质量密度 r2,重力加速度g,和扰动波数k;我们要求的物理量是扰动的增长率G。一共5个。

 

     单位制需要3个基本物理量,显然可以有两个无量纲参数。

 

我们想求出的物理量G的量纲可以用gk表示,而与质量密度无关,即可以得到:

 

       p1=G/(gk)1/2,或  G=p1(gk)1/2

 

以及(考虑还没有使用的另两个物理量)

 

            p2= r1/ r2l

 

F(p1, p2)=0,即p1=F(p2)=F(l),可以得到不稳定性的增长率

 

            G=p1(gk)1/2=F(l)(gk)1/2

 

 

Rayleigh-Taylor不稳定性理论给出的严格结果是:

 

            G=(Agk)1/2

 

其中所谓AtwoodA=(l-1)/(l+1)确实只是无量纲数l的函数,即上式中F(l)=A1/2。(这显然也是一个~O(1)的无量纲参数!)

 

神吧?!

 

如果重流体在下面,l<1A<0G=iw是一个虚数,w成为扰动的频率:一个表面波就在这个界面上传播起来。如果上面的流体是大气,下面的流体是水,我们得到A=-1w=(gk)1/2——这就是“深水波”(deep water wave)的色散关系。显然深水波是有色散的,其群速度只是相速度的1/2

 

如果是“浅水波”(shallow water wave),则应该与水的深度h有关——多了一个物理量,就多了一个无量纲参数(在这里显然是p2=kh)。根据白金汉Π-定理,可以得到浅水波色散关系

 

                w=p1 (gk)1/2=F(p2) (gk)1/2

 

而理论推导得到的色散关系是

 

       w = (p2gk)1/2=k (gh)1/2  (即F(p2)= (p2)1/2)!

 

这个波是无色散的:即群速度=相速度(=(gh)1/2)。

    



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