Construction of a self-similar solution to the system of gas dynamics equations describing the outflow of polytropic gas into vacuum from an inclined wall in the inconsistent case

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The present paper is devoted to an initial-boundary value problem for the system of gas dynamics equations in the formulation of the characteristic Cauchy problem of standard form, which describes, at t>0, the expansion of a polytropic gas into vacuum on an inclined wall in the space of physical self-similar variables ξ=x/tη=y/t, and at t<0, strong compression of gas in the prismatic volume.
The solution of the initial-boundary value problem is constructed in the form of series of functions c(ξ,ϑ)u(ξ,ϑ) and v(ξ,ϑ) with powers ϑ, where ϑ is the known function of independent variables. Finding the unknown coefficients c1(ξ)u1(ξ) and v1(ξ) of the series of functions c(ξ,ϑ)u(ξ,ϑ) and v(ξ,ϑ) is reduced to solving the transport equation for the coefficient c1(ξ).
The study deals with construction of an analytical solution of the transport equation for the coefficient c1(ξ) of the solution of the system of gas dynamics equations, which describes the isentropic outflow of a polytropic gas from an inclined wall, in the general inconsistent case, when \tg2α(γ+1)/(3γ). When γ=5/3, which is the case of hydrogen, an analytical solution of the transport equation is constructed for the coefficient c1(ξ) in explicit form for the first time.
The obtained solution has been applied to the description of the compression of a special prismatic volume, which is a regular triangle in cross section. The specific feature of the obtained solution c1(ξ) indicated in the article is that the value c1 as ξξ, where the value ξ is given by the equation c0(ξ)=3.9564. It is concluded that at the sound characteristic, which is the interface between the flows of centered and double wave types, a gradient catastrophe occurs at the point with coordinates ξ=ξ and ϑ=0, which results in development of strong discontinuity in the shock-free flow and formation of a shock wave.

About the authors

Eugeny I. Pon’kin

Snezhinsk Physic Institute of the National Research Nuclear University MEPhI

Author for correspondence.
Email: epnk@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-7848-3167
SPIN-code: 5566-8860
Scopus Author ID: 57222760792
http://www.mathnet.ru/person186131

Postgraduate Student

Russian Federation, 456776, Snezhinsk, Komsomolskay st., 8

References

  1. Bautin S. P. Matematicheskoe modelirovanie sil’nogo szhatiia gaza [Mathematical Modeling of Strong Gas Compression]. Novosibirsk, Nauka, 2007, 312 pp. (In Russian). EDN: QJSOSJ
  2. Bautin S. P., Deryabin S. L. Matematicheskoe modelirovanie istecheniia ideal’nogo gaza v vakuum [Mathematical Modeling of Ideal Gas Flow into Vacuum]. Novosibirsk, Nauka, 2005, 390 pp. (In Russian). EDN: QJPIDD
  3. Suchkov V. A. Flow into a vacuum along an oblique wall, J. Appl. Math. Mech., 1963, vol. 27, no. 4, pp. 1132–1134. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-8928(63)90195-3.
  4. Bautin S. P., Pon’kin E. I. Self-similar solutions of the problem of polytropic gas flow along an oblique wall into vacuum, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2021, vol. 62, no. 1, pp. 27–37. EDN: YQXWVA. DOI: https://doi.org/10.1134/S0021894421010041.
  5. Pon’kin E. I. Mathematical description of two methods of gas-dynamic impact on the target using the Suchkov solution, Vopr. Atomn. Nauki Tekhn. Ser. Matem. Model. Fiz. Prots., 2022, no. 2, pp. 27–39 (In Russian). EDN: YPTVJH. DOI: https://doi.org/10.53403/24140171_2022_2_27.
  6. Pon’kin E. I. The characteristic Cauchy problem of standard form for describing the outflow of a polytropic gas into vacuum from an obligue wall, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2022, vol. 26, no. 2, pp. 322–338 (In Russian). EDN: QYHKRK. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1922.
  7. Bautin S. P. Kharakteristicheskaia zadachi Koshi i ee prilozheniia v gazovoi dinamike [The Characteristic Cauchy Problem and its Applications in Gas Dynamics]. Novosibirsk, Nauka, 2009, 368 pp. (In Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. (a) Initial configuration (\(t=0\)); (b) the flow configuration at \(t > 0\): 0 — the quiescent gas region; 1 — the flow region in the form of a centered wave; 2 — the flow region in the form of a double wave; 3 — the vacuum region

Download (146KB)
3. Figure 2. (a) Initial configuration \(t_0<0\); (b) the flow configuration at \(t_0 < t < 0\): 0 — the quiescent gas region; 1 — the flow region in the form of a centered wave; 2 — the flow region in the form of a double wave

Download (171KB)
4. Figure 3. (color online) The surface of the function \(c(\xi,\vartheta)\) when approaching the point \(\xi_*\) in the quasi-consistent (a) and consistent (b) cases: 0 — the quiescent gas region; 1 — the flow region in the form of a centered wave; 2 — the flow region in the form of a double wave

Download (313KB)

Copyright (c) 2023 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».