Эдди (гидродинамика)

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  Гидродинамика "Эдди"  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Вихревая улица вокруг цилиндра. Это может происходить вокруг цилиндров и сфер для любой жидкости, размера цилиндра и скорости жидкости при условии, что поток имеет число Рейнольдса в диапазоне от ~ 40 до ~ 1000. ^[1]

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 [ править ]

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]

Диаграмма, показывающая распределение скорости жидкости, движущейся по круглой трубе, для ламинарного потока (слева), турбулентного потока, усредненного по времени (в центре) и турбулентного потока, мгновенное изображение (справа)

Число Рейнольдса и турбулентность [ править ]

Эксперимент Рейнольдса (1883 г.). Осборн Рейнольдс стоит у своего аппарата.

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 того, когда возникнет турбулентный поток. По сути, число Рейнольдса - это соотношение сил инерции и сил вязкости. ^[5]

Фотография Шлирена, показывающая термоконвекционный шлейф, поднимающийся от обычной свечи в неподвижном воздухе. Шлейф изначально ламинарный, но переход к турбулентности происходит в верхней 1/3 изображения. Изображение было сделано с помощью шлирен-зеркала диаметром один метр Гэри Сеттлса.

Общий вид числа Рейнольдса, протекающего через трубку радиуса r (или диаметра d):

${\ Displaystyle \ mathrm {Re} = {2v \ rho r \ over \ mu} = {\ rho vd \ over \ mu}}$

где v - скорость жидкости, ρ - ее плотность , r - радиус трубки, а μ - вязкость жидкости. к турбулентному течению в жидкости определяется критическим числом Рейнольдса, для закрытой трубы это работает примерно до

${\ displaystyle \ mathrm {Re} _ {\ text {c}} \ около 2000 г.}$

В терминах критического числа Рейнольдса критическая скорость представляется как

${\displaystyle v_{\text{c}}={\frac {\mathrm {Re} _{\text{c}}\mu }{\rho d}}.}$

Исследования и разработки [ править ]

Вычислительная гидродинамика [ править ]

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:

${\displaystyle -\rho \langle u_{i}u_{j}\rangle =2\mu _{t}S_{i,j}-{2 \over 3}\rho \kappa \delta _{i,j}}$

куда

• ${\displaystyle \mu _{t}}$ коэффициент, называемый турбулентной вязкостью (также называемой вихревой вязкостью)
• ${\displaystyle \kappa ={\tfrac {1}{2}}(\langle u_{1}u_{1}\rangle +\langle u_{2}u_{2}\rangle +\langle u_{3}u_{3}\rangle )}$ - средняя турбулентная кинетическая энергия
• ${\displaystyle S_{i,j}}$ это средняя скорость деформации

Обратите внимание, что включение в линейное определяющее соотношение требуется для целей тензорной алгебры при решении для моделей турбулентности с двумя уравнениями (или любой другой модели турбулентности, которая решает уравнение переноса для  . ^[6])${\displaystyle {\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}}$${\displaystyle \kappa }$

Гемодинамика [ править ]

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 [ править ]

Подъемные и тяговые свойства мячей для гольфа настраиваются путем манипулирования углублениями 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 смешивания жидкостей и увеличения скорости реакции в промышленных процессах. ^[9]

Течения жидкости и борьба с загрязнением [ править ]

Океанические и атмосферные течения переносят частицы, мусор и организмы по всему миру. В то время как перенос организмов, таких как фитопланктон , необходим 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. Распространение и движение пластмасс, вызванные образованием вихрей в естественных водоемах, можно предсказать с помощью лагранжевых моделей переноса. ^[12] Мезомасштабные океанические водовороты играют решающую роль в переносе тепла к полюсу, а также в поддержании градиентов тепла на разных глубинах.^[13]

Экологические потоки [ править ]

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 у дна водоема. ^[15]

Мезомасштабные океанские водовороты [ править ]

Вихри обычны в океане и имеют диаметр от сантиметров до сотен километров. Самые мелкие водовороты 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 вихри можно разделить на две категории: статические вихри, вызванные обтеканием препятствия (см. Анимацию), и кратковременные вихри, 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 нестабильной системы извивается и создает водовороты (во многом так же, как извилистая река образует озеро с воловьим носом). Эти типы мезомасштабных вихрей 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, вихри Хайда ). 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 свойствами 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.

См. Также [ править ]

• Вихревая диффузия
• Хайда Эдди
• Число Рейнольдса - безразмерная постоянная, используемая для прогнозирования начала турбулентного потока.
• Рейнольдс эксперимент
• Карман вихревая улица
• Водоворот
• Вихрь
• Речные водовороты в Уайтуотере
• Турбулентность следа
• Вычислительная гидродинамика
• Ламинарный поток
• Гемодинамика
• Модоны , или дипольные вихревые пары.

Ссылки [ править ]