Asymptotic theory of heat transfer in two dimensional turbulent boundary layers

Résumé On étudie le transfert de chaleur dans la couche limite plane d'un fluide incompressible, lorsque le nombre de Reynolds est grand. On suppose que le nombre de Prandtl laminaire est de l'ordre de l'unité. L'analyse est basée sur le système sous-déterminé d'équations et sur l'idée que l'écoulement dans la couche limite est divisible en deux régions. La méthode employéc est une combinaison de développements asymptotiques et d'hypothèses asymptotiques qui décrit les forces dominantes et le mécanisme de transfert d'énergie. Comme ces hypothèses ne sont pas les hypothèses finies, elles n'imposent aucune relation entre les quantités déterminées par l'écoulement moyen et celles déterminées par les termes de Reynolds. L'analyse actuelle conduit aux lois pour le profil de température qui correspondent aux loi de la répartition de la température près de la paroi, loi logarithmique et loi de manque de température.     

Flow in an occluded circular cylindrical tube with permeable wall

Résumé L'éoulement d'un liquide dans un tube à paroi perméable se rencontre dans plusieurs problèmes d'ingénieur, tels que la purification de l'eau, l'osmose inverse, l'écoulement dans un milieu proeux, etc. Cet exposé traite un problème physiologique, à savoir, l'écoulement du sang dans les plus petits vaisseaux sanguins, les «capillaires».L'expérience de «micro-occlusion» de Landis (1927) était un pas important dans le problème du transport fluidique à travers un vaisseau sanguin. Récemment, Zweifach et Intaglietta (1966, 1968) ont obtenu des données importantes grâce à une expérience perfectionnée du type de celle de Landis. L'interprétation de ces expériences se fonde sur l'hypothèse de Starling de l'interaction des pressions osmotique et hydrostatique. Dans cet ouvrage, on étudie un modèle simplifié du transport fluidique à travers la paroi d'un vaisseau sanguin capillaire. On donne une méthode analytique pour étudier l'appliation de l'hypothèse de Starling au mouvement d'un fluide visquex dans un tube circulaire occlu. On suppose que les pressions hydrostatique et osmotique de l'espace extérieur entourant le tube aient les mêmes valeurs d'équilibre avant et après l'occlusion, de sorte que l'écoulement de masse à travers la paroi du tube, conformément à l'hypothèse de Starling, est simplement proportionnel au changement de la pression hydrostatique à travers le paroi. La solution démontre que, quand la constante de perméabilité dépasse une certaine valeur, l'éoulement axial amont détermine le mouvement fluidique; et que l'écoulement à travers la paroi du tube est plus ou moins indépendant de la perméabilité de la paroi. Quand la constante de perméabilité est petite, l'écoulement à travers la paroi est proportionnel à la perméabilité.L'hypothèse de Starling étant applicable à la dialysation des membranes, la présente démonstration a d'autres domaines d'application pour l'ingénieur. Cette méthode d'analyse peut être appliquée pour résoudre un type général du problème de valeur de limite associée à l'équation de Stokes dans laquelle deux conditions indépendantes sont données pour la surface et l'une des extrémités de la région cylindrique circulaire.     

Radiative magnetogasdynamic Couette flow with variable parameters

Couette flow of an electrically conducting compressible fluid with uniform magnetic field applied transversely between flat walls of arbitrary electrical conductivity, radiative emissivity and temperature is analysed. The equations of steady flow are formulated with the introduction of temperature dependent coefficients of viscosity and thermal and electrical conductivity, together with absorption coefficient in addition dependent upon the density. Profiles of velocity, induced magnetic field, radiative flux and temperature are derived numerically under a one-dimensional modelling. The parameter dependence, expressed as a power law, is found to have a marked effect upon the velocity and magnetic field but to be of little import for the thermal profiles. Similar influence is found for the effect of wall electrical conductivity and emissivity. On the other hand, changes in the strength of the fluid thermal conductivity significantly affect the temperature profile in the presence of electromagnetic interaction.

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Résumé Pour un fluide conducteur, rayonnant et compressible sous l'influence d'un champ magnétique constant et transverse l'écoulement de Couette entre deux surfaces planes conductrices et rayonnantes avec des températures arbitraires est analysé. On formule les équations d'un écoulement permanent quand la viscosité, la conductibilité thermique et la conductibilité électrique dépendent de la température et le coffficient d'absorption de la densité. On calcule la vitesse, le champ magnétique induit, le rayonnement et la température pour des écoulements qui ne sont fonction que de la cordonnée transverse.La vitesse et le champ magnétique dépendent de façon significative de ce paramètre, mais pas la température ni le rayonnement. On obtient des résultats similaires pour la conductibilité électrique et l'emissivité de rayonnement des surfaces planes. D'autre part quand la conductiblité électrique du fluide n'est pas nulle, une variation de la conductibilité thermique modifie la température d'une manière significative.

     

Free-convection boundary layer on an isothermal horizontal cylinder

The free convection on a horizontal circular cylinder whose temperature is suddenly increased is studied at large Grashof number. An accurate numerical method is described for determining the solution of the time-dependent boundary-layer equations. The development of the various physical properties of the flow are calculated and compared with their values at small and large times as obtained from the previously obtained analytical solutions.

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Résumé Cette étude considère la convection libre à nombre de Grashof élevé au dessus d'un cylindre horizontal de section circulaire lorsqu'on augmente brusquement sa température. On présente une méthode numérique qui permet de déterminer avec précision la solution des équations instationnaires de la couche limite. Le développement des caractéristiques physiques de l'écoulement est calculé et les résultats sont comparés avec ceux qui ont été déjà obtenus analytiquement pour les petites et grandes valeurs de la variable du temps.

     

The influence of flow distortions on axial flow fan and on rotating stall

Résumé Ce travail donne les résultats d'essais effectués sur un ventilateur axial concernant l'influence de distorsions de l'écoulement sur la pression de la machine, sur l'apparition du décollement tournant et sur sa fréquence. On a étudié deux types de perturbations donnant respectivement lieu à des distorsions tangentielles et radiales de l'écoulement.On a montré notamment qu'une striction de l'écoulement en amont du rotor, au moyeu, permet de reculer les conditions d'apparition de décollement tournant.Les caractéristiques propres du décollement tournant (fréquence et extension de la région décollée) sont peu sensibles aux distorsions de l'écoulement.     

Méthode de mesure de la chaleur spécifique par température croissante ou décroissante

Résumé L'obtention des valeurs expérimentales de l'entropie, à l'équilibre, à partir des grandeurs thermiques, est rendue compliquée pour un supraconducteur se trouvant dans une phase mélangée, mixte ou intermédiaire, par le comportement irréversible observé en général dans les échantillons réels. Il est possible de réduire, voire supprimer l'incertitude dans l'interprétation des résultats si l'on détermine les variations d'entropie non seulement pour des températures et champs magnétiques croissants, mais également pour des températures et champs décroissants. On décrit une méthode de mesure de la chaleur spécifique, valable pourT<10°K, inspirée de la méthode d'impulsion d'une part, en ce sens qu'elle a l'avantage de travailler sur des états de quasi équilibre en température du système, et de la méthode de refroidissement continu d'autre part, puisqu'elle utilise une perte thermique permettant la mesure par température décroissante. Le modèle théorique correspondant au dispositif expérimental est traité complètement du point de vue mathématique. Les erreurs systématiques propres à la méthode peuvent être réduites à moins de 0.5% et des variations de température de quelques millidegrés peuvent être encore mesurées avec une précision de l'ordre du pourcent. Le procédé convient donc bien à l'étude détaillée des transitions de phase supraconductrices.

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Summary It is difficult to obtain equilibrium values of entropy from measured thermal quantities, for superconductors in a mixed phase, because of irreversible behavior generally observed in real samples. It is possible to reduce, even suppress, the uncertainty arising from interpretation of results, if entropy variations are determined not only for increasing magnetic field and temperature, but also for decreasing field and temperature. A method to measure the specific heat is described, which is valid forT<10°K. As in the case of the heat burst method, the advantage is that the determination occurs from quasi-equilibrium states in temperature of the system. In addition, a heat leak allows us also to make measurements with decreasing temperature, as in the cooling curve method. The theoretical model corresponding to the experimental arrangement is thoroughly analysed from a mathematical point of view. Systematic errors, arising from the method itself, may be reduced to less than 0,5% and temperature variations of a few milli-degrees can still be measured with a precision of the order of 1%. This procedure is then well adapted to the detailed study of superconducting phase transitions.

     

A second order boundary layer solution for separated flow past a bluff body

In this investigation second order boundary layer solutions are obtained for subsonic, plane flow over a circular cylinder with a wake. The outer flow due to displacement thickness is obtained by extending a first order solution, which includes wake effects. This enables realistic solutions for the displacement effect to be calculated as well as for the curvature effect. It is shown that as the first order separation point is approached the magnitudes of the second order velocity components become large and the surface shear becomes large and negative. There is also a significant upstream shift in the position of the separation point.

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Résumé Dans ce travail, on obtient des solutions du second ordre des équations de la couche limite pour un écoulement subsonique plan autour d'un cylindre circulaire avec un sillage. On obtient l'écoulement extérieur dû à l'épaisseur de déplacement en étendant une solution du premier ordre qui comprend les effets du sillage. Ceci permet de calculer des solutions réalistes pour l'effet de déplacement ainsi que pour l'effet de courbure. On montre que les composantes de la vitesse du second ordre de même que la tension tangentielle deviennent très grandes et cette dernière négative au voisinage du point de décollement du premier ordre. Il y a aussi un déplacement significatif vers l'amont de la position du point de décollement.

     

The behavior of elastic heat conductors with second-order response functions

Second-order forms for the material response functions of an elastic heat conductor are derived by approximating the response functions by polynomials in the appropriate invariants. Solutions based upon these forms of the response functions are exact for special materials and approximate for general materials. The second-order dependence on temperature of isothermal elasticity solutions is found, and the results are shown to agree well with experimental data taken on rubber. Within the second-order theory for incompressible and isotropic bodies, the problems of biaxial stretching of a plate with transverse heat flow and the simultaneous extension and shear of a cylindrical annulus with radial heat flow are solved.

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Résumé Les termes du deuxième ordre des fonctions de réponse d'un conducteur de chaleur élastique sont dérivés dans une approximation basée sur le développement en polynomes d'invariants appropriés de ces fonctions. Les solutions qui en résultent sont exactes pour certains matériaux et approchées dans le cas général. Une dépendance du second ordre en température de l'élasticité isotherme est établie et il est montré que, dans le cas du caoutchouc, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales. Les problèmes de l'état de tension bidimensionnel d'une plaque soumise à un flux de chaleur transversal et de l'allongement et du cisaillement simultanés d'un anneau cylindrique parcouru par un flux radial sont résolus dans le cadre de la théorie du second ordre pour les corps incompressibles et isotropes.

     

The flow of an electrically conducting fluid at a rear stagnation point

Summary We consider the impulsively generated magnetohydrodynamic flow at a rear stagnation point. The work of Leibovich is carried further by formulating the inner viscous problem and providing analytical solutions and complete numerical solutions for the entire range of the interaction parameter. It is shown that the present results are consistent with previously obtained numerical solutions to the steady equations of both similarity and non-similarity form.

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Résumé Nous considérons l'écoulement magneto-hydrodynamique impulsivement engendré à un point de stagnation arrière. On porte plus loin l'étude de Leibovich par la formulation du problème visqueux intérieur et en fournissant des solutions analytiques et numériques complètes correspondantes au champ entier du paramètre d'interaction. On montre que les résultats actuels sont en accord avec les solutions numériques, et de similitude et de non-similitude, déjà connues des équations stationnaires.

     

Étude de l'établissement d'un jet liquide laminaire émergeant d'une conduite cylindrique verticale semi-infinie et soumis à l'influence de la gravité

Résumé On étudie l'écoulement libre d'un jet liquide laminaire axisymétrique émergeant d'une conduite cylindrique verticale semi-infinie, à grands nombres de Reynolds et grands nombres de Froude. Dans de telles conditions, si l'on exclut le cas des tubes capillaires, le nombre de Weber de l'écoulement est suffisamment grand pour que les effets de tension superficielle s'avèrent négligeables, ainsi que le confirme cette étude. Les équations sont simplifiées par une analyse de type couche limite. L'utilisation de la méthode des développements asymptotiques raccordés conduit à des solutions approchées semianalytiques faisant apparaitre les paramètres de similitude de l'écoulement. Ces solutions prévoient la distribution des vitesses et la forme du jet sous l'influence des forces de pesanteur et de viscosité. Des résultats expérimentaux obtenus par photographie du jet et visualisation holographique du champ des vitesses confirment les prévisions théoriques.

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This paper is concerned with the laminar flow of a free liquid jet emerging from a semi infinite vertical cylindrical pipe at high Reynolds and Froude numbers. In that case, excepting the capillary tubes, the Weber number is sufficiently high so that surface tension effects may be neglected. The general equations are simplified by a boundary layer analysis and solved by using the matched asymptotic expansion's method. Approximate semi analytical solutions are presented showing parameters of similarity. These solutions predict the velocity distribution and the jet shape under the influence of body and viscous forces. Experimental results obtained by jet photography and holographic visualization of the velocity field confirm the accuracy of the calculations.

     

Supersonic/hypersonic flow past an oscillating flat plate at high angles of attack

Summary The problem of inviscid supersonic/hypersonic flow over the expansion surface of an oscillating flat plate at an angle of attack is studied. The amplitude and reduced frequency of the oscillation are assumed small and the unsteady flow regarded as a small perturbation to the steady Prandtl-Meyer flow. By imposing appropriate upstream boundary conditions the perturbation problem is properly formulateds and solved analytically. The solution, together with the known oscillating wedge solution of Hui, is used to study the aerodynamic stability of a flat plate. In particular, it is found that for large enough angles of attack the pitching motion of a flat plate is aerodynamically unstable, and that at high angles of attack the specific heat ratio of the gas has very significant effects and can cause aerodynamic instability.

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Sommaire On étudie le problème de l'écoulement supersonique/hypersonique non visqueux au-dessus de la surface d'expansion d'une plaque plane oscillante, avec un angle d'attaque donné. On suppose que l'amplitude et la fréquence réduite de l'oscillation sont petites, et que l'écoulement non stationnaire peut être considéré comme une petite perturbation de l'écoulement stationnaire de Prandtl et Meyer. En imposant les conditions aux limites applicables en amont, on formule convenablemen le problème perturbatif et on le résout analytiquement. La solution de ce problème aussi bien que la solution du problème du dièdre oscillant trouvée par Hui, est utilisée pour l'étude de la stabilité aérodynamique d'unè plaque plane. On montre en particulier que lorsque l'angle d'attaque est assez grand, le mouvement depitching d'une plaque plane (c'est à dire le mouvement de rotation autour d'un axe passant par son bord d'attaque) devient aérodynamiquement instable. De plus, pour de grands angles d'attaque, la valeur du rapport des chaleurs spécifiques du gas est très significative et peut causer une instabilité aérodynamique.

     

A method of parameter differentiation applied to flow in porous annuli

A general noniterative method of solution of nonlinear boundary value problems involving a parameter is presented. Through a parametric differentiation of the original system, the boundary value problem is converted into an initial value problem with the parameter as the independent variable and differentiation with respect to the original variable is completely eliminated. A step by step integration with respect to the parameter of the newly obtained initial value system yields a large family of solutions which may be of practical interest when the parameter chosen is of physical significance.The method is applied to study the effect of uniform wall suction and injection on the laminar flow in an annulus. The integration is carried out with respect to the transpiration Reynolds number and the deviation from the Poiseuille flow can be seen at each step of integration.

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Résumé Une méthode générale non itérative est développée pour résoudre des problèmes aux limites non linéaires contenant un paramètre. La dérivation du système différentiel par rapport au paramètre transforme le problème en un problème aux valeurs initiales, où la variable indépendante est le paramètre et où la dérivation par rapport à la variable d'origine est complètement éliminée. L'intégration du nouveau système par rapport au paramètre est menée pas à pas et conduit à une famille de solutions qui peuvent être d'intérêt pratique si le paramètre a une signification physique.La méthode est appliquée à l'étude de l'écoulement laminaire d'un fluide dans un tube annulaire à parois uniformément perméables. La variable d'intégration est le nombre de Reynolds de transpiration et la déviation par rapport à l'écoulement de Poiseuille peut être déterminée à chaque pas d'intégration.

     

The thermal laminar boundary layer on a rotating sphere

Résumé Dans cet article, on étudie par un procédé numérique la couche limite laminaire thermique sur une sphère en rotation. En supposant que la sphère est maintenue à une température constante, on obtient la distribution des températures, ainsi que le transport de chaleur. On y discute aussi le problème de la sphère en rotation dans un cas plus général où la répartition de la température sur la surface de la sphère n'est plus uniforme.     

The motion of incompressible fluids with electrical resistivity past thin airfoils in oblique fields

Résumé Le problème de l'écoulement des fluides à résistivité électrique en présence d'un profil mince, dans le cas des champs obliques, est réduit à la résolution d'une équation intégrale du type Fredholm. L'équation peut être résolue à l'aide de la méthode des approximations successives. Dans le cas des champs alignés et dans celui des champs perpendiculaires, lorsque pourR (nombre magnétique de Reynolds) nous considérons des valeurs petites, les équations se résolvent de façon explicite et exacte. On détermine la portance dans le cas d'une plaque et on montre la manière dont la portance décroit à mesure queR augmente. On montre également que dans le cas des champs orthogonaux, la portance est plus petite que dans celui des champs alignés. De la solution générale on obtient, comme cas particulier, la solution de l'aérodynamique classique ainsi que la solution du cas du fluide à résistivité négligeable.     

Hyperspherical caps in generalised axially symmetric potential theory (I)

Résumé Le problème du potentiel généralisé axisymétrique d'un secteur d'une sphère àn dimensions est formulé comme une équation intégrale. Cette équation est résolue par deux applications de la solution d'une équation d'Abel. La capacité du secteur est déduite et les résultats sont appliqués au problème de la torsion d'une tige qui contient une fente ayant la forme d'un secteur d'une sphère et située symétriquement.     

A kinematical study of Kirchhoff-Rayleigh flow

Summary A method of calculating the separated flow of a viscous fluid is proposed, which allows to split up properly the boundary condition problem from the viscous phenomena. The theory is developed for the flow past a plate and yields wakes of finite extension having an underpressure which depends directly on the amount of vorticity diffusion and dissipation occurring in the fluid. Application of the method to real flows shows good agreement between the calculated and the measured velocity distributions in front of the plate and in the wake.

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Résumé Une méthode de calcul de l'écoulement décollé d'un fluide visqueux est proposée qui permet de séparer clairement le problème aux limites des phénomènes visqueux. La théorie est développée pour l'écoulement autour d'une plaque et donne des sillages de longueur finie ayant une dépression de culot directement dépendante de l'intensité de la diffusion et dissipation de la vorticité se produisant dans le fluide. L'application de la méthode à des écoulements réels montre une bonne concordance entre les répartitions de vitesse calculées et mesurées sur le devant de la plaque et dans le sillage.

     

An exact solution for a cavity model

Résumé On considère l'écoulement plan, permanent et irrotationnel d'un jet gazeux aux grandes vitesses subsoniques. En appliquant le procédé deFalkovich, concernant la méthode hodographique deChaplygin, on obtient la solution exacte pour le modèle de Roshko situé dans un canal aux parois parallèles (Figure). On détermine l'expression exacte du coefficient de résistance et on donne quelques relations entre les différents paramètres de la configuration.     

Atmospheric ice nuclei

Résumé L'auteur examine les connaissances actuelles des noyaux glaçogènes naturels et décrit brièvement les méthodes utilisées pour mesurer des concentrations à des températures variables, les résultats obtenus et la répartition géographique des noyaux glaçogènes. La majorité de ces noyaux, paraît-il, est composée de particules solides insolubles, d'un diamètre inférieur à 2 microns. Il discute sous des rubriques diverses leur comportement, tel qu'il a été décélé par des expériences en laboratoires: a) congélation contre sublimation, b) retard de nucléation, c) les résultats des congélations, répétées 4) préactivation et désactivation, 5) les résultats de leur immersion dans l'eau et les résultats de l'addition de substances solubles.L'auteur décrit les méthodes variées dont on se sert pour résoudre le problème de la composition des noyaux glaçogènes naturels et arrive à la conclusion que les noyaux plus actifs répandus à l'échelle mondiale sont des poussières du sol aussi bien que des particules d'origine extra-terrestre. Les mesures de la répartition verticale des noyaux de glace et la variation, récemment découverte, de la concentration des noyaux glaçogènes au cours de la phase lunaire sont favorable à la thèse de leur origine extra-terrestre.L'auteur souligne la pauvreté de nos connaissances en ce qui concerne le processus de congélation des nuages naturels.     

Temperature distribution in an extended surface

The temperature distribution in an extended surface geometry, a cylindrical tee plug, has been obtained by transforming the governing Fourier-Bessel-Kernel function into a summable series. This result takes a poorly converging solution and transforms it into one which is more useful for the practical evaluation of temperature in such surfaces.

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Résumé La distribution de température dans une surface géometriquement étendue, une pièce cylindrique enT, a été obtenue par la transformation des fonctions Fourier-Bessel-Kernel en des séries additives. Ce résultat prend une solution lentement convergente et la transforme en une méthode plus utile pour l'évaluation pratique de la température dans des surfaces pareilles.

     

Analysis of unsteady incompressible jet nozzle flow

Summary The mechanics of pulsed flow in a nozzle is analyzed by using the Lagrangian forms of the conservation equations for total mass and energy and the unsteady version of the Bernoulli equation. The results of the study are presented in simple formulas for predicting pressure profiles within the nozzle during the process as well as the jet velocity as a function of time. Examples are presented illustrating those parameters which are of importance and how they influence the performance of the nozzle.

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Sommaire La mécanique d'un écoulement transitaire à travers une buse est analysée à l'aide des formes de Lagrange des équations de conservation de la masse totale et de l'énergie et à l'aide de la version non-stationnaire de l'équation de Bernoulli. Les résultats de cette étude sont présentés sous la forme de formules simples prédisant aussi bien les profils de pression à l'intérieur de la buse que la vitesse du jet en fonction du temps. Des exemples montrent ceux des paramètres qui sont importants et de quelle manière ils influencent les performances de la buse.