密閉車廂(簡化為長2m,寬1m,高1m的長方體剛性盒)由靜止變勻加速,車內空氣的運動規律是怎樣的?

時間 2021-06-07 01:54:27

1樓:booster

由於慣性,車頭的氣體會變稀薄,產生稀疏波;車尾的氣體會被壓縮,產生壓縮波。

兩道波在車廂中部稍靠後一點的位置相遇並互相穿過,然後各自在車廂對面反射,如此往復,經過無限長時間後:

如果車廂最終達到勻速,那麼這些波系會變得無限微弱,車廂內氣體恢復為均勻狀態。

如果車廂保持勻加速狀態,那麼波系同樣會變得無限微弱,只不過車廂內氣體不再是均勻狀態,而是保持著車頭一邊較稀薄而車尾一邊較稠密的狀態

如果定量分析的話,可以接著往下看:

先考慮終態。這是比較簡單的,情形1是均勻場,情形2是非均勻場,但很容易推導出壓力分布(todo 1)。

如果考慮中間過程的話,情況就複雜了太多太多。有興趣的話,接著往下看:

不妨假設車廂向右運動。這個問題可以拆解為兩個活塞問題的疊加:車頭可以看做是乙個右行活塞,在活塞左側引起稀疏波;車尾同樣是乙個右行活塞,在活塞右側形成壓縮波。

在無限長直管中的活塞問題,根據特徵線理論,很容易得到精確解;在有限長直管中的活塞問題,需要考慮到波系在直管另一側的反射,盲猜解析解應該是乙個無窮級數形式;這個車廂問題是兩個有限長直管中的活塞問題的疊加,同樣盲猜解析解是乙個無窮級數,形式可能會極其複雜,不知道歷史上有沒有哪位大神研究過這個問題。

為了分析的方便,這個問題可以再降低點難度:車廂不是從靜止開始勻加速的,而是在零時刻突然以固定的速度勻速向右行駛。這樣,就能以車廂為基準建立慣性系,車廂兩端作為波系反射面的座標就是固定的了,推導能簡化很多,先留個坑吧,有空的時候可以試一試(todo 2)

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