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Cylindrical Flow in and Over Channels of Irregular Shape

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

E. M. Shoemaker*
Affiliation:
Department of Mathematics, Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia V5A IS6, Canada
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Earlier work by Nye (1965), who obtained numerical solutions for axial independent flow of a non-linear Glen material in channels of rectangular, elliptic, and parabolic cross-sections with a null-slip basal condition, is extended by using an inverse technique. Exact analytical solutions are obtained for flow in irregular-shaped channels (subject to symmetry restrictions) for both a Newtonian and an n = 3 Glen material. The cross-sections are regulated by multi-parameters. Solutions are obtained for two types of channel: (a) those whose side walls meet the free ice surface vertically, and (b) periodic channel arrays whose basal profiles do not intersect the free ice surface, i.e. overfilled channels. Solutions for the second type have not been presented previously. The solutions for the n = 3 Glen material employ a small parameter which limits the geometry variation to perturbations on semicircular or uniform-depth channels. Basal slip conditions can be incorporated although results are not presented here.

Résumé

Résumé

Le premier travail de Nye (1965), qui obtint des solutions numériques pour des écoulements indépendants de la direction axiale d’un corps de Glen non linéaire dans des chenaux de section droite rectangulaires, elliptiques et paraboliques sans glissement sur le lit, est étendu à l’aide d’une technique d’inversion. Des solutions analytiques exactes sont obtenues pour l’écoulement dans des chenaux de formes irrégulières (soumises néanmoins aux règles de la symétrie à la fois pour un corps newtonien et un corps de Glen où n ═ 3. Les sections droites sont déterminées par des paramètres multiples. Les solutions sont obtenues pour deux sortes de chenaux (a) ceux pour qui la surface libre coupe normalement la rive, (b) ceux périodiques pour lesquels le profil du lit ne coupe pas la surface libre, c’est-à-dire des chenaux noyés. Des solutions pour ce second genre n’ont jamais été présentées auparavant. Les solutions pour un corps de Glen avec n = 3, utilise un petit paramètre qui limite les variations géométriques aux perturbations des chenaux semi-circulaires ou d’épaisseur uniforme. Les conditions de glissement à la base peuvent être introduites bien que ces résultats ne soient pas présentés.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Frühere Arbeiten von Nye (1965), der numerische Lösungen für das achsunabhängige Fliessen eines nichtlinearen Glen’schen Materials in Kanälen mit rechteckigen, elliptischen und parabolischen Querschnitten bei Fehlen von Gleiten am Untergrund erhielt, werden durch Anwendung einter inversen Technik erweitert. Exakte analytische Lösungen ergeben sich für den Fluss in unregelmässig geformten Kanälen (unter gewissen Symmetrie-Bedingungen) sowohl für ein Newton’sches Material sowie solches mit einem Glen-Exponenten n = 3. Die Querschnitte werden durch eine Schar von Parametern erfasst. Die Lösungen gelten für zwei Kanaltypen: (a) solche, deren Seitenwände senkrecht auf die freie Eisoberfläche treffen, und (b) periodische Kanalanordnungen, deren Grundprofile die freie Eisoberfläche nicht schneiden, d.h. überlaufende Kanäle. Lösungen für den zweiten Typ wurden bisher noch nicht angegeben. Die Lösungen für Material mit dem Glen-Exponenten n = 3 verwenden einen kleinen Parameter, der die geometrischen Variationen auf Abweichungen von halbkreisförmigen Kanälen oder solchen mit gleichförmiger Tiefe beschränkt. Bedingungen für das Gleiten am Untergrund können eingeführt werden, doch werden entsprechende Ergebnisse nicht vorgelegt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1985
Figure 0

Fig. 1. The right half of six basal profiles corresponding to a Newtonian material and null-velocity basal condition. Parameter values are:Curve A: b = a, C1 = 0.6668;Curve B: b = 2a, C1 = 0.5429;Curve C: b = 3a, C1 = 0.5242;Curve D: b = a, C1 = 0.95254;Curve E: b = 2a, C1 = 0.92033;Curve F: b = 3a, C1 = 0.9146.

Figure 1

Fig. 6. Dimensionless velocity profiles U and boundary associated effective stresses Ta for the case c = 2. b/a = 08. ∈ = – 0.235. The tick marks indicate equal stress increase over intervals CC’. C’E. and EO. T0 – 0 on OC. The key stresses are: 0: Ta = 0; C’: Ta = 1.028; ∈: Ta = 0898.

Figure 2

Fig. 2. The right half of seven basal profiles plotted on y/yi, z/yi axes. Parameter values are:Curve A: b = 0.95a, C1 = 0.9024;Curve B: b = 0.8a, C1 = 0.6381;Curve C: b = 0.7a, C1 = 0.4855;Curve D: b = 1.55, C1 = 0.9555;Curve E: b = 1.5a, C1 = 0.8859;Curve F: b = a, C1 = 0.3271;Curve G: b = 0.75a, C1 = 0.1454.

Figure 3

Fig. 3. The right half of seven periodic basal profiles plotted on y/yi, z/yi coordinates. The ice surface corresponds to the top of the box. Parameter values are:Curve A: b/a = 0.53, B1 = −0.1529;Curve B: b/a = 0.45, B1 = −0.0861;Curve C: b/a= 0.40, B1 = −0.0500;Curve D: b/a = 0.32, B1 = −0.000011852;Curve E: b/a = 1.175, B1 = −0.9591;Curve F: b/a = 0.8, B1 = −0.2308;Curve G: b/a = 0.65, B1 = −0.016929.

Figure 4

Fig. 4. Dimensionless velocity profiles U at intervals of 0.2 and dimensionless boundary stresses T for the case c = 2 b/a = 1.175. B1 = −0.9591. The inner boundary tick marks indicate equal stress increments over intervals OB, BC, CC′; C′D, DE, and EO on which stress varies monotonically. (The increments are not the same for all intervals.) Key stresses are:O: T = 0.0, B: T = 0.408, C: T = 0.0, C′: T = 0.230, D: T = 1.23, E: T = 0.906.

Figure 5

Fig. 5. The right half of six periodic basal profiles for an n = 3 Glen material. Parameters are:Curve A: b/a = 0.4, ϵ = −0.470;Curve B: b/a = 0.35, ∈ = −0.248;Curve C: b/a = 0.9, ϵ = −0.294;Curve D: b/a = 0.7, ϵ = –0.124;Curve E: b/a = 1.3, ϵ = –0.186;Curve F: b/a = 1.0, ϵ = –0.441.

Figure 6

Fig. 7. Five profile perturbations on a semicircular filled channel.