В динамике жидкости , вихретоковый является вихревой жидкостью и обратный ток создается , когда жидкость находится в режиме турбулентного потока. [2] Движущаяся жидкость создает пространство, лишенное текучей среды, текущей ниже по потоку, на стороне выхода объекта. Жидкость за препятствием течет в пустоту, создавая водоворот жидкости на каждом краю препятствия, за которым следует короткий обратный поток жидкости за препятствием, движущийся вверх по потоку к задней части препятствия. Это явление естественно наблюдается за крупными надводными породами в быстротекущих реках.
Вихри и водовороты в технике
Склонность жидкости к завихрению используется для обеспечения хорошего перемешивания топлива и воздуха в двигателях внутреннего сгорания.
В механике жидкости и явлениях переноса вихрь - это не свойство жидкости, а сильное вихревое движение, вызванное положением и направлением турбулентного потока. [3]
Число Рейнольдса и турбулентность
В 1883 году ученый Осборн Рейнольдс провел эксперимент по гидродинамике с использованием воды и красителя, в котором он скорректировал скорости жидкостей и наблюдал переход от ламинарного к турбулентному потоку, характеризующемуся образованием вихрей и вихрей. [4] Турбулентный поток определяется как поток, в котором силы инерции системы преобладают над силами вязкости. Это явление описывается числом Рейнольдса - числом без единиц измерения, используемым для определения момента возникновения турбулентного потока. По сути, число Рейнольдса - это соотношение сил инерции и сил вязкости. [5]
Общий вид числа Рейнольдса, протекающего через трубку радиуса r (или диаметра d):
где v - скорость жидкости, ρ - ее плотность , r - радиус трубы, а μ - вязкость жидкости. Турбулентный поток в жидкости определяется критическим числом Рейнольдса, для закрытой трубы это составляет примерно
В терминах критического числа Рейнольдса критическая скорость представляется как
Исследования и разработки
Вычислительная гидродинамика
Это модели турбулентности, в которых напряжения Рейнольдса, полученные из усреднения по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса , моделируются линейной определяющей зависимостью от поля деформации среднего потока, как:
где
- - коэффициент, называемый турбулентной «вязкостью» (также называемой вихревой вязкостью)
- - средняя турбулентная кинетическая энергия
- это средняя скорость деформации
- Обратите внимание, что включение в линейном определяющем соотношении требуется для целей тензорной алгебры при решении для моделей турбулентности с двумя уравнениями (или любой другой модели турбулентности, которая решает уравнение переноса для . [6]
Гемодинамика
Гемодинамика - это исследование кровотока в системе кровообращения. Кровоток в прямых участках артериального дерева обычно ламинарный (высокое направленное напряжение стенки), но ветви и изгибы в системе вызывают турбулентный поток. [2] Турбулентный кровоток в артериальном дереве может вызывать ряд побочных эффектов, включая атеросклеротические поражения, послеоперационную гиперплазию неоинтимы, рестеноз внутри стента, отказ венозного шунта, васкулопатию трансплантата и кальцификацию аортального клапана.
Промышленные процессы
Подъемные и тяговые свойства мячей для гольфа настраиваются путем манипулирования ямочками на поверхности мяча, что позволяет мячу двигаться дальше и быстрее в воздухе. [7] [8] Данные о явлениях турбулентного потока использовались для моделирования различных переходов в режимах потока жидкости, которые используются для тщательного перемешивания жидкостей и увеличения скорости реакции в промышленных процессах. [9]
Течения жидкости и контроль загрязнения
Океанические и атмосферные течения переносят частицы, мусор и организмы по всему земному шару. Хотя перенос организмов, таких как фитопланктон , имеет важное значение для сохранения экосистем, нефть и другие загрязнители также смешиваются с текущим потоком и могут переносить загрязнение далеко от источника. [10] [11] Вихревые образования распространяют мусор и другие загрязнители в концентрированные области, которые исследователи отслеживают, чтобы улучшить очистку и предотвращение загрязнения. Распределение и движение пластмасс, вызванные вихревыми образованиями в естественных водоемах, можно предсказать с помощью лагранжевых транспортных моделей. [12] Мезомасштабные океанские водовороты играют решающую роль в переносе тепла к полюсу, а также в поддержании градиентов тепла на разных глубинах. [13]
Экологические потоки
Моделирование развития вихрей, поскольку оно связано с явлениями турбулентности и судьбоносного переноса, имеет жизненно важное значение для понимания экологических систем. Понимая перенос твердых частиц и растворенных твердых частиц в потоках окружающей среды, ученые и инженеры смогут эффективно сформулировать стратегии восстановления в случае загрязнения окружающей среды. Вихревые образования играют жизненно важную роль в судьбе и переносе растворенных веществ и частиц в потоках окружающей среды, таких как реки, озера, океаны и атмосфера. Апвеллинг в стратифицированных прибрежных эстуариях гарантирует образование динамических водоворотов, которые распределяют питательные вещества из-под пограничного слоя с образованием плюмов. [14] Мелководье, например, вдоль побережья, играет сложную роль в переносе питательных веществ и загрязнителей из-за близости верхней границы, вызываемой ветром, и нижней границы вблизи дна водоема. [15]
Мезомасштабные океанские водовороты
Вихри распространены в океане и имеют диаметр от сантиметров до сотен километров. Вихри наименьшего масштаба могут сохраняться в течение нескольких секунд, в то время как более крупные объекты могут сохраняться от месяцев до лет.
Вихри диаметром от 10 до 500 км (от 6,2 до 310,7 миль), сохраняющиеся от нескольких дней до месяцев, известны в океанографии как мезомасштабные вихри. [16]
Мезомасштабные водовороты можно разделить на две категории: статические водовороты, вызванные обтеканием препятствия (см. Анимацию), и кратковременные водовороты, вызванные бароклинной нестабильностью.
Когда океан имеет градиент высоты поверхности моря, это создает струю или течение, такое как Антарктическое циркумполярное течение. Это течение как часть бароклинически неустойчивой системы извивается и создает водовороты (во многом так же, как извилистая река образует озеро с воловьим носом). Эти типы мезомасштабных водоворотов наблюдались во многих крупных океанских течениях, включая Гольфстрим, Течение Агульяс, Течение Куросио и Антарктическое циркумполярное течение, среди других.
Мезомасштабные океанические водовороты характеризуются течениями, которые текут примерно по кругу вокруг центра вихря. Направление вращения этих течений может быть циклоническим или антициклоническим (например, Хайда Эдди ). Океанические водовороты также обычно состоят из водных масс, отличных от водоворотов вне водоворота. То есть вода в водовороте обычно имеет характеристики температуры и солености, отличные от характеристик воды вне водоворота. Существует прямая связь между характеристиками водной массы вихря и его вращением. Теплые водовороты вращаются антициклонически, а холодные - циклонически.
Поскольку водовороты могут иметь связанную с ними активную циркуляцию, они представляют интерес для военно-морских и коммерческих операций на море. Кроме того, поскольку водовороты переносят аномально теплую или холодную воду при движении, они оказывают важное влияние на перенос тепла в определенных частях океана. [17]
Смотрите также
- Вихревая диффузия
- Хайда Эдди
- Число Рейнольдса - безразмерная константа, используемая для предсказания начала турбулентного потока.
- Рейнольдс эксперимент
- Карман вихревая улица
- Водоворот
- Вихрь
- Речные водовороты в Уайтуотере
- Турбулентность в следе
- Вычислительная гидродинамика
- Ламинарный поток
- Гемодинамика
- Модоны , или дипольные вихревые пары.
Рекомендации
- ^ Тэнсли, Клэр Э .; Маршалл, Дэвид П. (2001). «Обтекание цилиндра на плоскости с приложением к разделению Гольфстрима и антарктическому циркумполярному течению» (PDF) . Журнал физической океанографии . 31 (11): 3274–3283. Bibcode : 2001JPO .... 31.3274T . DOI : 10,1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2 . Архивировано из оригинального (PDF) 01.04.2011.
- ^ а б Чиу, Дженг-Цзянь; Цзянь, Шу (01.01.2011). «Влияние нарушенного кровотока на эндотелий сосудов: патофизиологические основы и клинические перспективы» . Физиологические обзоры . 91 (1): 327–387. DOI : 10.1152 / Physrev.00047.2009 . ISSN 0031-9333 . PMC 3844671 . PMID 21248169 .
- ^ Лайтфут, Р. Байрон Берд; Уоррен Э. Стюарт; Эдвин Н. (2002). Явления переноса (2-е изд.). Нью-Йорк, NY [ua]: Wiley. ISBN 0-471-41077-2.
- ^ Камбе, Цутому (2007). Элементарная механика жидкости . World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. с. 240 . ISBN 978-981-256-416-0.
- ^ «Давление» . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 12 февраля 2017 .
- ^ «Модели линейной вихревой вязкости - CFD-Wiki, бесплатный справочник по CFD» . www.cfd-online.com . Проверено 12 февраля 2017 .
- ^ Арнольд, Дуглас. «Полет мяча для гольфа» (PDF) .
- ^ "Почему у мячей для гольфа ямочки?" . math.ucr.edu . Проверено 12 февраля 2017 .
- ^ Димотакис, Пол. «Переход при перемешивании в турбулентных потоках» (PDF) . Информационно-технические услуги Калифорнийского технологического института .
- ^ «Океанские течения вытесняют фитопланктон и загрязнение по всему миру быстрее, чем предполагалось» . Science Daily . 16 апреля 2016 . Проверено 12 февраля 2017 .
- ^ «Загрязнение океана» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований .
- ^ Ежедневно, Джульетта; Хоффман, Мэтью Дж. (01.05.2020). «Моделирование трехмерного переноса и распределения нескольких типов микропластичных полимеров в озере Эри» . Бюллетень загрязнения морской среды . 154 : 111024. DOI : 10.1016 / j.marpolbul.2020.111024 . ISSN 0025-326X . PMID 32319887 .
- ^ "Мезомасштабные вихри океана - Лаборатория геофизической гидродинамики" . www.gfdl.noaa.gov . Проверено 12 февраля 2017 .
- ^ Чен, Чжаоюнь; Цзян, Юйу; Ван, Цзя; Гун, Вэньпин (23.07.2019). «Влияние речного шлейфа на динамику прибрежного апвеллинга: важность стратификации» . Журнал физической океанографии . 49 (9): 2345–2363. DOI : 10.1175 / JPO-D-18-0215.1 . ISSN 0022-3670 .
- ^ Роман, Ф .; Stipcich, G .; Арменио, В .; Inghilesi, R .; Корсини, С. (01.06.2010). «Моделирование больших вихрей перемешивания в прибрежных зонах» . Международный журнал тепла и потока жидкости . Шестой международный симпозиум по явлениям турбулентности и сдвиговых потоков. 31 (3): 327–341. DOI : 10.1016 / j.ijheatfluidflow.2010.02.006 . ISSN 0142-727X .
- ^ Тэнсли, Клэр Э .; Маршалл, Дэвид П. (2001). «Обтекание цилиндра на β-плоскости с приложением к разделению Гольфстрима и антарктическому циркумполярному течению». Журнал физической океанографии . 31 (11): 3274–3283. Bibcode : 2001JPO .... 31.3274T . DOI : 10,1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2 . ISSN 1520-0485 . S2CID 130455873 .
- ^ «Мезомасштабные вихри океана» . Лаборатория геофизической гидродинамики . NOAA . Проверено 10 июня 2021 .