Group analysis and similarity solutions of the compressible boundary layer equations

Summary In this paper the application of Lie's methods to the equations of the laminar boundary layer is discussed. The momentum and energy equations in Prandtl's form are considered for a steady, viscous, compressible laminar flow with non zero pressure gradient, variable viscosity and thermal conductivity. Group analysis yields similarity solutions for given pressure distributions and particular values of the invariance group parameters (group classification). Crocco's transformation is obtained for the infinite-dimensional group of the Lie's algebra admitted by the equations.

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Sommario In questa nota si applicano i metodi di Lie alle equazioni dello strato limite laminare nella forma di Prandtl per un fluido viscoso, compressibile, con gradiente di pressione non nullo e con viscosità e conducibilità termica variabili. L'analisi gruppale fornisce soluzioni di similarità per date distribuzioni di pressione e valori particolari dei parametri del gruppo di invarianza. La trasformazione di Crocco si ottiene in corrispondenza della parte infinito-dimensionale dell'algebra di Lie ammessa dalle equazioni.

     

On balance equations for materials with affine structure

Summary The equations of balance of mass, inertia, momentum and generalized moment of momentum for materials with affine structure are derived as consequences of the invariance under change of observer of a postulated law of energy balance.

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Sommario Si deducono le equazioni di bilancio di massa, inerzia, quantità di moto e momento generalizzato della quantità di moto per materiali con struttura affine, come conseguenze dell'invarianza al cambiamento di osservatore di un conveniente principio di bilancio dell'energia.

     

A generalized theory of linear micropolar thermoelasticity

Summary The linear theory of thermoelasticity established by Green and Lindsay with the help of an entropy production inequality proposed by Green and Laws is generalized to the case of a homogeneous micropolar continuum. The basic equations are derived using invariance conditions under superposed rigid body motions.

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Sommario La teoria lineare della termoelasticità stabilita da Green e Lindsay sulla base della disuguaglianza della produzione dell'entropia proposta da Green e Laws è generalizzata al caso di un continuo micropolare omogeneo. Le equazioni fondamentali vengono derivate usando condizioni di invarianza rispetto a moti rigidi sovrapposti.

     

On the turbulent couette flow of an incompressible fluid with temperature-dependent viscosity

Summary Starting from energy and Navier-Stokes equations with temperature-dependent viscosity, we have obtained the Reynolds equations for the mean values of velocity, temperature and pressure. We have then applied these equations to the Couette flow; on the well-known hypothesis of mixing-length and Prandtl turbulent number, the above mentioned relations have been written in a more amenable form.Some general considerations concerning the reciprocal dependence between temperature and velocity gradients at wall have been deduced.Finally some solutions numerically obtained for several values of Reynolds number are given and discussed in some detail to point out the influence of the temperature-dependent viscosity.

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Sommario Introducendo nelle equazioni dell'energia e di Navier-Stokes le parti medie e fluttuanti della velocità, temperatura, pressione e viscosità, vengono ricavate le cosiddette equazioni di Reynolds, ossia le equazioni che descrivono i campi di velocità e temperatura medi. Dal confronto di quest'ultime, in cui la viscosità è considerata dipendente dalla temperatura, con quelle originarie di Reynolds si deduce la forma che nel caso in esame assumono gli sforzi apparenti.Successivamente le equazioni ottenute vengono applicate al moto a Couette e discusse, dopo aver introdotto in esse le ipotesi della lunghezza di miscelamento e del numero di Prandtl turbolento; da questa analisi vengono tratte alcune conclusioni di carattere generale riguardanti i legami tra il campo dinamico e quello termico. Infine vengono date alcune soluzioni ottenute per via numerica, le quali illustrano l'influenza che sulle distribuzioni di temperatura e velocità viene esercitata dalla dipendenza della viscosità dalla temperatura.

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Objective constitutive relations in elasticity and viscoelasticity

Summary The compatibility between the objectivity principle and affine constitutive equations for the elastic Cauchy and Piola-Kirchhoff stress tensors with non-zero residual stress is examined. It is found that the Cauchy stress is allowed to be only a constant tensor, proportional to the identity tensor, while the Piola-Kirchhoff stress may be a linear function on the deformation gradient thus generalizing previous results by Fosdick and Serrin. The same conclusions are arrived at also by starting from viscoelasticity. Finally, in the case of Maxwell-like materials, the solutions to the objective evolution equations are shown to be objective functionals.

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Sommario Si esamina la compatibilità tra il principio di obiettività ed equazioni costitutive affini per i tensori di stress elastici di Cauchy a Piola-Kirchhoff con stress residuo non nullo. Generalizzando risultati di Fosdick e Serrin si prova che il tensore di Cauchy può essere soltanto un tensore costante, proporzionale al tensore identità, mentre il tensore di Piola-Kirchhoff può essere una funzione lineare del gradiente di deformazione. Alle stesse conclusioni si perviene anche partendo dal funzionale della viscoelasticità. Infine si mostra che, per materiali tipo Maxwell, le soluzioni di equazioni di evoluzione obiettive sono funzionali obiettivi.

     

A possible solution of a case of unsteady laminar plane flow for non-newtonian liquids

Summary After a few basic remarks on continuous media mechanics, equations of unsteady laminar flow for non-newtonian incompressible fluids are written; a solution for a particular plane flow (with zero hydraulic slope) is carried out, supposing that the components of the stress tensor T are polynomials in the components of the deformation rate tensor F. In particular if we adopt a cubic law, we recognize a second viscosity coefficient, which may be a positive or negative number; a way is then suggested for finding experimentally both viscosity coefficients of the fluid; a simple numerical example is also given.

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Sommario Dopo alcuni richiami sulla meccanica dei mezzi continui, si scrivono le equazioni del moto vario laminare per fluidi non newtoniani incomprimibili, e se ne trova la soluzione in un caso particolare di moto piano (a pendenza motrice nulla), supponendo di esprimere il legame fra le componenti del tensore degli sforzi T e quelle del tensore delle velocità di deformazione F con polinomi. Nel caso particolare di una legge cubica si presenta un secondo coefficiente di viscosità, positivo o negativo; si suggerisce allora un possibile metodo per determinare sperimentalmente il valore dei due coefficienti di viscosità del fluido, dando poi un semplice esempio numerico.

     

Diffusion of a velocity discontinuity according to kinetic theory

Summary The problem of describing the smoothing out and diffusion of an initial velocity discontinuity is solved analytically by means of the linearized Bhatnager, Gross and Krook model of the Boltzmann equation. The solution is compared with previous approximate solutions and with the solution arising from a continuum treatment based on Navier-Stokes equations.

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Sommario Si risolve analiticamente per mezzo del modello linearizzato di Gross, Bhatnagar e Krook dell'equazione di Boltzmann, il problema dell'evoluzione temporale di una discontinuità iniziale di velocità.La soluzione che così si ottiene viene confrontata con precedenti soluzioni approssimate e con la soluzione ottenuta dalle equazioni di Navier-Stokes che descrivono macroscopicamente il fluido.

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Research developed in the frame of the activity of the CNR group for Fluid Dynamics at the Istituto di Scienze Fisiche dell'Università di Milano, Grant N. 02/100/5/2001.     

Inertial and self interactions in structured continua: Liquid crystals and magnetostrictive solids

Evolution equations for liquid crystals and for magnetostrictive solids are discussed within the framework of a theory of continua with microstructure that allows for mechanical self-interactions and non-standard inertial terms.

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Sommario Si discutono equazioni di evoluzione per cristalli liquidi e per solidi magnetostrittivi nell'ambito di una teoria dei continui con microstruttura che contempla la possibilità sia di autointerazioni meccaniche che di termini inerziali non standard.

     

The thermohydrodynamic flow equations for hydrostatic thrust bearings

Summary This paper studies the flow in rotating hydrostatic thrust bearings lubricated with incompressible fluids under pressure. It considers, besides the effects of inertia on the lubricant, its increase in temperature in the film due to fluid friction (thermohydrodynamic flow).From the system of differential equations of Navier-Stokes, continuity and energy, we obtain differential or integro-differential equations that can furnish the values of the temperature and of the components of velocity and pressure of the fluid in the bearing. From these we obtain the values of the load-carrying capacity, of the volume flow rate of the fluid and those of the friction torque.

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Sommario Si studia il regime fluido nei cuscinetti idrostatici di spinta rotanti lubrificati con fluidi incompressibili in pressione, tenendo conto, oltre che degli effetti di inerzia sul lubrificante, anche del suo aumento di temperatura nel meato dovuto alle azioni di attrito fluido (regime termofluidodinamico).Si ricavano dal sistema di equazioni differenziali di Navier-Stokes, di continuità e dell'energia, le equazioni differenziali od integro-differenziali atte a fornire i valori della temperatura, delle componenti della velocità e della pressione del fluido nel cuscinetto e, mediante essi, i valori della capacità di carico, della portata volumetrica di fluido e del momento d'attrito.

     

Weighted residuals as a basis of a general solution method in elasticity

Summary It is shown that the general integral form of the elastic equilibrium equations obtainable through the weighted residuals agrees with the variational formulation given by the extremum conditions of the Washizu functional allowing a complete relaxation of the interelement continuity requirements.

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Sommario Si mostra che la forma generate integrale del sistema di equazioni dell'equilibrio elastico a cui conduce il metodo dei residui con fattori ponderali concorda con la formulazione variazionale fornita dalle condizioni di estremo del funzionale di Washizu che deriva da quello di Hellinger-Reissner mediante sblocco completo dei vincoli di continuità fra regioni contigue.

     

On the Ljapunov stability of a system with known first integrals

Summary The differential equations of the perturbed motion with known independent first integrals are considered, and it is shown that a sufficient condition for the stability of the imperturbed motion of the complete system is given by the total stability of the corresponding solution of a certain reduced system, of lower rank. This theorem finds an interesting application in the study of the stability of the merostatic motions of a holonomic system with ignorable coordinates and acted upon by dissipative forces.

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Sommario Si considerano sistemi di equazioni differenziali del moto perturbato per i quali siano noti alcuni integrali primi indipendenti, e si dimostra che una condizione sufficiente per la stabilità del moto non perturbato del sistema completo è data dalla stabilità totale della corrispondente soluzione di un certo sistema ridotto, di rango inferiore. Questo teorema trova una significativa applicazione nello studio della stabilità dei moti merostatici di un sistema olonomo con coordinate ignorabili e soggetto a sollecitazioni dissipative.

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Research supported by the Gruppo di Ricerca No. 7 of the C. N. R.     

Estimating the domain of attraction of a stable equilibrium state for certain delayed differential systems of order two

Summary We discuss the influence exerted on the stability of an equilibrium state of a second order differential-difference system by the delays existing in the coupling terms of the two system equations. On certain hypotheses an asymptotic stability condition is determined which is independent of the magnitude of delays but dependent on the magnitude of coupling. A simple method for constructing regions belonging to the domain of attraction of the considered equilibrium state is developed. Several alternative constructions and applications are discussed in detail.

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Sommario Viene discussa l'influenza che sulla stabilità ai uno stato di equilibrio di un sistema differenziale alle differenze di secondo ordine banno i ritardi incorporati nei termini di accoppiamento fra le due equazioni del sistema. Si mostra come sotto opportune ipotesi si possa determinare una condizione di stabilità asintotica che non dipende dall'entità dei ritardi, mentre dipende da quella degli accoppiamenti, e si propone un metodo semplice e flessibile per costruire regioni contenute nel dominio di attrazione dello stato di equilibrio considerato. Si discutono in dettaglio numerose costruzioni alternative ed applicazioni.

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On leave of absence from CYFRONET, Institute of Nuclear Research, Swierk k/Otwocha, Poland.     

Nonstationary nonplanar free motions of an orbiting string with multiple internal resonances

The paper discusses the nonlinear free dynamics of an orbiting string satellite system. The focus is on the transversal oscillations, which are governed by two partial integro-differential equations in two transversal displacement components with quadratic nonlinearities. The system is weakly nonlinear but in practice works in conditions of simultaneous internal resonance. The investigation focuses on nonstationary motions arising from perturbed steady-state nonplanar oscillations. A four-mode model is used to study the problem: two modes are necessary to describe the basic oscillation and at least two other modes are involved in the resonance phenomena when the motion is perturbed. The multiple time scales method is used to obtain the equations that govern the amplitude and phase modulations. For increasing levels of system energy, fundamental and bifurcated paths of fixed points of the seven first-order differential equations are determined and their stability is investigated. The trajectories of motion of periodically modulated amplitude solutions and their stability are also studied. A model with a higher number of modes is used to evaluate the accuracy of the stability analysis of two-mode nonplanar oscillations perturbed by a two-mode disturbance.

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Sommario Nel presente lavoro si studia la dinamica libera nonlineare di un sistema filo-satellite. L'attenzione è rivolta alle oscillazioni trasversali, governate da due equazioni integro-differenziali, con nonlinearità quadratiche, nelle due componenti di spostamento. Il sistema è debolmente nonlineare ma praticamente lavora in condizioni di risonanza interna. Lo studio è concentrato sui moti nonstazionari generati da perturbazioni delle oscillazioni stazionarie spaziali. Per studiare il problema è stato sviluppato un modello con quattro modi: due sono necessari per descrivere il moto base mentre almeno altri due sono interessati dai fenomeni di risonanza interna quando il moto viene perturbato. Per ottenere le equazioni nelle ampiezze e fasi è stato utilizzato il metodo delle scale multiple. Del sistema di sette equazioni differenziali del primo ordine ottenuto, sono stati studiati i percorsi fondamentali di equilibrio e i rami biforcati, prendendo come parametro il livello di energia totale. È stata inoltre esaminata la stabilità di questi rami. Sono state studiate le traiettorie dei moti periodicamente modulati e la loro stabilità. Infine, è stato utilizzato un modello con un numero più alto di modi per valutare l'accuratezza dell' analisi di stabilità delle oscillazioni bimodali spaziali, nella quale la perturbazione è stata descritta da due soli modi.

     

Studies on van der pol coupled systems

Summary Two Van der Pol equations with linear coupling are considered. The equations correspond to the mechanical one mass system with two degrees of freedom and with two types of self excited vibration generation. One due to presence of Van der Pol damping terms and second one due to the coordinate force which causes instability of equilibrium position of abbreviated system. The stationary one and two frequency oscillations as well as regions of parameters for different types of solution are discussed. Two types of bifurcations and amplitude relations are analyzed.

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Sommario Si considerano due equazioni di Van der Pol con l'accoppiamento lineare. Le equazioni corrispondono al sistema meccanico di una massa con due gradi di libertà e con due tipi di generazione di vibrazioni autoeccitanti. Una dovuta alla presenza di termini smorzanti di tipo Van der Pol, l'altra dovuta alla coordinata forza che causa instabilità della posizione di equilibrio del sistema ridotto. Si discutono le due oscillazioni di frequenza stazionarie e le regioni dei parametri per i diversi tipi di soluzione. Si analizzano due tipi di biforcazione e di relazione di ampiezza.

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On study leave at Department of Mechanical Engineering, The University of Alberta, Edmonton, Canada. T6G 2G8.     

Phase transitions and hysteresis in nonlocal and order-parameter models

The paper describes two types of regularization to the basic quasistatic double-well potential problem in one space dimension. One model features a spatially nonlocal term while the other incorporates the use of an order parameter. Some basic existence and regularity results for these modified models are derived and some numerical calculations that show hysteresis and motion of phase boundaries are presented.

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Sommario Il lavoro descrive due tipi di regolarizzazione del problema quasistatico per un potenziale con due minimi in una dimensione. Un modello evidenzia caratteri di non località spaziale, mentre l'altro conduce ad una teoria con parametro d'ordine. Si derivano alcuni risultati di esistenza e regolarità e si presentano alcuni studi numerici che mostrano l'isteresi e il moto delle frontiere tra le fasi.

     

Dynamical equations of constrained robotic devices

Summary Different forms of the dynamical equations for constrained chain systems are investigated. First Kane's equations with Lagrange's multipliers are deduced from the standard form of d'Alembert's principle. Next it is proved that, even for constrained robotic devices, Euler's equations are equivalent to Kane's equations provided only that relative coordinates are employed. This equivalence yields an outstanding mechanical interpretation of Kane's equations. The possibility of applying the procedure to closed-loop multibody systems is also examined.

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Sommario Vengono esaminate diverse formulazioni delle equazioni del moto per catene di corpi rigidi soggette a vincoli. Vengono dedotte le equazioni di Kane con moltiplicatori di Lagrange partendo dalla formulazione usuale del principio di d'Alembert. Viene poi provato che anche per i manipolatori vincolati le equazioni di Eulero sono equivalenti a quelle di Kane, purché vengano usate coordinate relative. Tale equivalenza fornisce una significativa interpretazione meccanica delle equazioni di Kane. Infine viene discussa la possibilità di applicare la procedura a sistemi a molti corpi con catene cinematiche chiuse.

     

On the formal structure of continuum mechanics Part I: Deformation theory

Summary The purpose of this and of following papers is to give an operator form to the equations of statics of continuous media in the case of small deformations (linear case) and of large deformations (non linear), aiming to obtain a unitary view of many known results in linear and nonlinear mechanics. In this paper an operator version of compatibility equations for large deformations, is given introducing a nonlinear operator that will be shown to be of the potential type. Some new results follow, namely a variational formulation of compatibility conditions extending a similar result obtained by the author in the small deformation theory. This formulation in three-dimensional space is similar to that of Einstein describing the gravitational field in space-time. An operational version of Bianchi's identities and a construction of boundary compatibility conditions are also given.

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Sommario In questa nota e in altre che seguiranno ci si propone di dare una versione operatoriale delle equazioni della statica dei continui deformabili sia a piccole deformazioni (caso lineare) che a deformazioni finite (non lineare), al fine di ottenere una visione unitaria di molti risultati noti nella meccanica lineare e non lineare. In questa nota si dà forma operatoriale alle condizioni di congruenza per deformazioni finite, introducendo un operatore nonlineare che sarà mostrato essere di tipo potenziale. Di qui seguono alcuni risultati nuovi: la formulazione variazionale delle condizioni di compatibilità che estende un risultato precedente dell'autore nella teoria delle piccole deformazioni. Questa formulazione nello spazio geometrico tridimensionale è del tutto identica a quella di Einstein che descrive il campo gravitazionale nello spazio-tempo. Si da altresì interpretazione operazionale alle identità di Bianchi e una costruzione delle condizioni di congruenza al contorno.

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This work has been supported by C.N.R.     

Functional analysis of integral transport equations in linear rarefied gas dynamics

Summary A study is proposed on the functional properties of the solutions of an interesting class of linear integral equations governing linear problems in rarefied gas dynamics. The analysis is carried out through a systematic study of the integral operator generated by the kernel of the equations themselves.

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Sommario In questa nota vengono studiate le proprietà funzionali di alcune equazioni integrali lineari che regolano problemi basilari della dinamica dei gas rarefatti. Gli operatori integrali, relativi alle operazioni stesse, sono analizzati in dettaglio.

     

Numerical solution of a pulsatile flow problem

Summary A numerical method, developed and used in previous work, is used to solve the Navier-Stokes equations for a two-dimensional incompressible flow in variable motion. A pulsatile flow through a pipe cross is studied to simulate blood flow in vascular aorto-renal junctions.

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Sommario In questo studio si è utilizzato uno schema numerico, già studiato e utilizzato in precedenti lavori, per risolvere le equazioni bidimensionali di Navier-Stokes per un fluido viscoso incomprimibile in un problema di moto vario. Nelle ipotesi di poter descrivere il moto fasico del sangue con il moto di un fluido viscoso newtoniano di opportuna viscosità, si è studiato il moto pulsante di questo fluido in due condotti raccordati per simulare il moto del sangue nel raccordo aorta-renale durante un ciclo temporale completo.

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Research carried out at Istituto di Idraulica del Politecnico di Milano, Milan, Italy.     

Spatial interaction in magneto-micropolar continua

Summary We consider a micropolar continuum, whose material points are endowed with magnetic moment, in the presence of a magnetic field within the approximation of the quasimagnetostatics. We deduce the balance equations by a suitable averaging technique and then we examine the compatibility of spatial interaction effects with thermodynamics. As a result, we show that such effects are confined to the constitutive equations for the dissipative stress_DT, the dissipative couple stress_Dm and the heat flux q. Moreover, as a consequence of the reduced dissipation inequality, a linear theory would account only for a dependence of_DT,_Dm, and q on the velocity gradient, the angular velocity, the gradient of the angular velocity, and on the temperature gradient.

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Sommario Si considera un continuo micropolarc, i cui punti materiali sono dotati di momento magnetico, in presenza di un campo magnetico nell'approssimazione della quasimagnetostatica. Dopo aver dedotto le equazioni di bilancio mediante un opportuno procedimento di media, si esamina la compatibilità tra effetti di interazione spaziale e seconda legge della termodinamica e si mostra che tali effetti possono essere presenti solo nelle equazioni costitutive per lo stress dissipativo (di Cauchy)_DT.lo stress dissipativo delle coppie_Dm e il flusso di calore q. Inoltre, in conseguenza della disuguaglianza di dissipazione ridotta, si osserva che una teoria lineare permetterebbe solo una dipendenza di_DT,_Dm, q dal gradiente di velocità, dalla velocità angolare, dal gradiente della velocità angolare e dal gradiente di temperatura.

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This work was supported by the «Gruppo Nazionale per la Fisica Matematica» of CNR.