Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В гидродинамике поток можно разделить на первичный и вторичный поток , причем относительно более слабая структура потока накладывается на более сильную структуру первичного потока . Первичный поток часто выбирается как точное решение упрощенных или приближенных (например, невязких ) управляющих уравнений, таких как потенциальный поток вокруг крыла или геострофический ток или ветер на вращающейся Земле. В этом случае вторичный поток эффективно выявляет эффекты сложных реальных членов, которыми пренебрегают в этих приближенных уравнениях. Например, последствия вязкости проявляются вторичным течением в вязкой среде.пограничный слой , разрешающий парадокс чайного листа . В качестве другого примера, если первичный поток рассматривается как приближение сбалансированного потока с чистой силой, равной нулю, тогда вторичная циркуляция помогает выделить ускорение из-за небольшого дисбаланса сил. Допущение малости вторичного потока также способствует линеаризации .

В инженерии вторичный поток также определяет дополнительный путь потока.

Примеры вторичных потоков [ править ]

Ветер у земли [ править ]

Основные принципы физики и эффект Кориолиса определяют приблизительный геострофический или градиентный ветер , сбалансированные потоки , параллельные изобарам . Измерения скорости и направления ветра на высоте значительно выше уровня земли подтверждают, что ветер достаточно хорошо соответствует этим приближениям. Однако ближе к поверхности Земли скорость ветра меньше, чем предсказывается градиентом атмосферного давления, и направление ветра частично пересекает изобары, а не параллельно им. Этот поток воздуха через изобары является вторичным потоком , отличным от первичного потока, который параллелен изобарам. Влияние шероховатости поверхноститакие элементы, как рельеф, волны, деревья и здания, вызывают сопротивление ветра и не позволяют воздуху разгоняться до скорости, необходимой для достижения сбалансированного потока. В результате направление ветра у уровня земли частично параллельно изобарам в регионе, а частично - поперек изобар в направлении от более высокого давления к более низкому.

В результате более низкой скорости ветра у поверхности земли, в области низкого давления барометрическое давление обычно значительно выше на поверхности, чем можно было бы ожидать, учитывая барометрическое давление на средних высотах, из-за принципа Бернулли . Следовательно, вторичный поток к центру области низкого давления также притягивается вверх за счет значительно более низкого давления на средних высотах. Этот медленный, массовый подъем воздуха в области низкого давления может вызвать обширные облака и дождь, если воздух имеет достаточно высокую относительную влажность .

В области высокого давления ( антициклон ) вторичный поток включает медленное, широко распространенное опускание воздуха со средних высот к уровню земли, а затем наружу через изобары. Этот спуск вызывает снижение относительной влажности и объясняет, почему в регионах с высоким давлением небо обычно безоблачно в течение многих дней.

Тропические циклоны [ править ]

Обтекание тропического циклона часто можно представить как параллельное круговым изобарам , например, в вихре . Сильный градиент давления втягивает воздух к центру циклона, центростремительная сила почти уравновешивается Кориолисом и центробежными силами в градиентном ветровом балансе. Вязкий вторичный поток у поверхности Земли сходится к центру циклона, поднимаясь вверх по стенке глаза, чтобы обеспечить непрерывность массы . По мере того, как вторичный поток втягивается вверх, воздух охлаждается по мере падения давления, вызывая очень сильные дожди и выделяя скрытое тепло.что является важным фактором энергетического баланса шторма. В этом примере вторичный поток действует как двигатель Карно, который в конечном итоге приводит в движение шторм, в то время как первичный поток накапливает энергию как маховик, а также помогает формировать и поддерживать вторичный поток.

Торнадо и пыльные дьяволы [ править ]

Пример пыльного дьявола в Рамади , Ирак .

Торнадо и пыльные дьяволы демонстрируют локальный вихревой поток. Их движение жидкости похоже на тропические циклоны, но в гораздо меньшем масштабе, поэтому эффект Кориолиса не является значительным. Первичный поток является круговым вокруг вертикальной оси смерча или пылевого дьявола. Как и все вихревые потоки, скорость потока максимальна в ядре вихря. В соответствии с принципом Бернуллитам, где скорость ветра самая высокая, давление воздуха меньше всего; а там, где скорость ветра меньше всего, давление воздуха выше. Следовательно, около центра смерча или пылевого дьявола давление воздуха низкое. Существует градиент давления к центру вихря. Этот градиент в сочетании с более низкой скоростью воздуха у поверхности земли вызывает вторичный поток к центру торнадо или пыльного дьявола, а не по чисто круговой схеме.

Более низкая скорость воздуха у поверхности предотвращает падение давления воздуха до такого низкого уровня, которого обычно можно ожидать от давления воздуха на большей высоте. Это совместимо с принципом Бернулли . Вторичный поток направлен к центру смерча или пыльного дьявола, а затем вытягивается вверх за счет значительно более низкого давления на несколько тысяч футов над поверхностью в случае торнадо или на несколько сотен футов в случае пылевого дьявола. Торнадо могут быть очень разрушительными, а вторичный поток может привести к тому, что обломки будут унесены в центральное место и унесены на небольшие высоты.

Пылевых дьяволов можно увидеть по пыли, поднявшейся на уровне земли, унесенной вторичным потоком и сконцентрированной в центре. Накопление пыли затем сопровождает вторичный поток вверх в область интенсивного низкого давления, которое существует вне влияния земли.

Круговой поток в миске или чашке [ править ]

Основная статья: Парадокс чайного листа

Когда вода в круглой чаше или чашке движется круговыми движениями, вода имеет свободный вихревой поток - вода в центре чаши или чашки вращается с относительно высокой скоростью, а вода по периметру вращается медленнее. Вода немного глубже по периметру и немного более мелкая в центре, а поверхность воды не плоская, а имеет характерное углубление по направлению к оси вращающейся жидкости. На любой высоте в пределах воды давление немного выше по периметру чаши или стакана, где вода немного глубже, чем около центра. Давление воды немного выше, когда скорость воды немного ниже, и давление немного меньше, когда скорость выше, и это соответствует принципу Бернулли..

Существует градиент давления от периметра чаши или чашки к центру. Этот градиент давления обеспечивает центростремительную силу, необходимую для кругового движения каждой частицы воды. Градиент давления также составляет для вторичного потока в пограничном слое в воде , протекающей через пол чаши или чашки. Более низкая скорость воды в пограничном слое не может уравновесить градиент давления. Пограничный слой движется по спирали внутрь к оси циркуляции воды. Достигнув центра, вторичный поток направляется вверх к поверхности, постепенно смешиваясь с первичным потоком. Вблизи поверхности также может быть медленный вторичный поток, направленный наружу к периметру.

Вторичный поток по дну миски или чашки можно увидеть, посыпав в воду тяжелые частицы, такие как сахар, песок, рис или чайные листья, а затем приведя воду в круговое движение, помешивая рукой или ложкой. Пограничный слой закручивается по спирали внутрь и сметает более тяжелые твердые частицы в аккуратную кучу в центре чаши или чашки. Когда вода циркулирует в миске или стакане, первичный поток является чисто круговым, и можно ожидать, что тяжелые частицы будут выбрасываться наружу по периметру. Вместо этого можно увидеть, как тяжелые частицы собираются в центре в результате вторичного потока по полу. [1]

Излучины реки [ править ]

Вода, текущая через излучину реки, должна следовать изогнутым линиям потока, чтобы оставаться в пределах берега реки. Поверхность воды у вогнутого берега немного выше, чем у выпуклого. («Вогнутый берег» имеет больший радиус. «Выпуклый берег» имеет меньший радиус.) В результате на любой высоте в пределах реки давление воды у вогнутого берега немного выше, чем у выпуклого берега. Градиент давления возникает от вогнутого берега к другому берегу. Центростремительные силы необходимы для криволинейного пути каждого водного пучка, который обеспечивается градиентом давления. [1]

Первичный поток вокруг изгиба - это вихревой поток - максимальная скорость, при которой радиус кривизны самого потока наименьший, и наименьшая скорость при наибольшем радиусе. [2] Более высокое давление около вогнутого (внешнего) берега сопровождается меньшей скоростью воды, а более низкое давление около выпуклого берега сопровождается более высокой скоростью воды, и все это согласуется с принципом Бернулли .

Вторичный поток приводит к пограничному слою вдоль дна русла реки. Пограничный слой движется недостаточно быстро, чтобы уравновесить градиент давления, поэтому его путь частично вниз по потоку и частично поперек потока от вогнутого берега к выпуклому берегу, управляемый градиентом давления. [3] Вторичный поток затем направляется вверх по направлению к поверхности, где он смешивается с первичным потоком или медленно движется по поверхности обратно к вогнутому берегу. [4] Это движение называется геликоидальным потоком .

На дне русла реки вторичный поток сметает песок, ил и гравий через реку и откладывает твердые частицы около выпуклого берега, подобно тому, как сахар или чайные листья сметают в центр чаши или чашки, как описано выше. [1] Этот процесс может привести к усилению или созданию D-образных островов, меандров из- за создания изрезанных берегов и противоположных выступов, что, в свою очередь, может привести к образованию старицы . Выпуклый (внутренний) берег излучин рек обычно мелкий и сложен песком, илом и мелким гравием; вогнутый (внешний) берег имеет тенденцию быть крутым и приподнятым из-за сильной эрозии.

Турбомашины [ править ]

Для вторичного потока в турбомашинном оборудовании были предложены различные определения, такие как «Вторичный поток в широком смысле означает поток под прямым углом к ​​предполагаемому первичному потоку». [5]

Вторичные потоки возникают в основном или первичном пути потока в компрессорах и турбинах турбомашин (см. Также несвязанное использование термина для потока в системе вторичного воздуха газотурбинного двигателя). Они всегда присутствуют, когда пристенный пограничный слой повернут на угол криволинейной поверхностью. [6] Они являются источником полной потери давления и ограничивают эффективность, которая может быть достигнута для компрессора или турбины. Моделирование потока позволяет формировать поверхности лопастей, лопастей и торцевых стенок, чтобы снизить потери. [7] [8]

Вторичные потоки возникают через рабочее колесо центробежного компрессора, но менее заметны в осевых компрессорах из-за меньшей длины прохода. [9] В осевых компрессорах вращение потока низкое, но пограничные слои толстые на стенках кольцевого пространства, что дает значительные вторичные потоки. [10] Вращение потока в лопатках и лопатках турбины велико и создает сильный вторичный поток. [11]

Вторичные потоки также возникают в насосах для жидкостей и включают предварительное вращение впускного отверстия или завихренность впуска, поток зазора между наконечником (утечка через наконечник), разделение потока при работе вне проектных условий и вторичную завихренность. [12]

Следующее, от Диксона, [13] показывает вторичный поток, создаваемый вращением потока в лопатке осевого компрессора или канале статора. Рассмотрим поток со скоростью приближения c1. Профиль скорости будет неоднородным из-за трения между стенкой кольцевого пространства и жидкостью. Завихренность этого пограничного слоя нормальна к скорости приближения и имеет величину

, где z - расстояние до стены.

Поскольку завихренность каждой лопасти относительно друг друга будет иметь противоположные направления, будет генерироваться вторичная завихренность. Если угол отклонения e между направляющими лопатками мал, величина вторичной завихренности представляется как

Этот вторичный поток будет совокупным эффектом распределения вторичной завихренности по длине лопасти.

Газотурбинные двигатели [ править ]

В газотурбинных двигателях через компрессор проходит первичный воздушный поток, вырабатывающий энергию. Они также имеют существенный (25% основного потока в Pratt & Whitney PW2000 ) [14] вторичный поток, полученный из первичного потока, который откачивается из компрессора и используется системой вторичного воздуха. Подобно вторичному потоку в турбомашиностроении, этот вторичный поток также снижает мощность двигателя.

Пневматические двигательные установки [ править ]

Тяговый поток, который проходит через тепловой цикл двигателя, называется первичным воздушным потоком. Использование только цикла потока было относительно недолговечным, как и турбореактивный двигатель. Воздушный поток, проходящий через пропеллер или вентилятор турбомашины, называется вторичным потоком и не является частью теплового цикла. [15] Такое использование вторичного потока снижает потери и увеличивает общую эффективность силовой установки. Вторичный поток может во много раз превышать поток через двигатель.

Сверхзвуковые воздушные двигательные установки [ править ]

В 1960-е годы крейсерская скорость от 2 до 3 Маха использовалась для коммерческих и военных самолетов. Concorde , North American XB-70 и Lockheed SR-71 использовали сверхзвуковые сопла эжекторного типа, у которых был вторичный поток, полученный на входе перед компрессором двигателя. Вторичный поток использовался для продувки моторного отсека, охлаждения корпуса двигателя, охлаждения сопла эжектора и смягчения первичного расширения. Вторичный поток эжектировался за счет откачки первичного газового потока через сопло двигателя и давления поршня на входе.

См. Также [ править ]

  • Слой Экмана  - слой в жидкости, где существует баланс сил между силой градиента давления, силой Кориолиса и турбулентным сопротивлением.
  • Циркуляция Ленгмюра  - серия неглубоких, медленных, вращающихся в противоположных направлениях вихрей на поверхности океана, выровненных по ветру.
  • Вторичная циркуляция  - циркуляция во вращающейся системе.

Примечания [ править ]

  1. ^ a b c Боукер, Кент А. (1988). «Альберт Эйнштейн и извилистые реки» . История наук о Земле . 1 (1) . Проверено 1 июля 2016 .
  2. ^ При отсутствии вторичного потока изгибный поток стремится сохранить угловой момент, чтобы он имел тенденцию соответствовать таковому у свободного вихря с высокой скоростью на меньшем радиусе внутреннего берега и более низкой скоростью на внешнем берегу, где радиальное ускорение меньше . Хикин, Эдвард Дж. (2003), «Извилистые каналы», в Миддлтоне, Джерард В. (редактор), Энциклопедия отложений и осадочных пород , Нью-Йорк: Спрингер, с. 432 ISBN  1-4020-0872-4
  3. ^ Вблизи дна, где скорость и, следовательно, центробежные эффекты самые низкие, в балансе сил преобладает внутренний гидравлический градиент сверхподнятой водной поверхности, и вторичный поток движется к внутреннему берегу. Хикин, Эдвард Дж. (2003), «Извилистые каналы», в Миддлтоне, Джерард В. (редактор), Энциклопедия отложений и осадочных пород , Нью-Йорк: Спрингер, с. 432 ISBN  1-4020-0872-4
  4. ^ Журнал геофизических исследований, том 107 (2002)
  5. ^ Аэродинамика компрессора, NA Cumpsty, ISBN 0 582 01364 X , стр. 316 
  6. ^ Теория газовой турбины, Коэн, Роджерс и Сараванамуто, 1972, 2-е издание, ISBN 0582 44926 X , стр.205 
  7. ↑ Образование вторичных потоков в турбинах. Архивировано 17 декабря 2007 г. на Wayback Machine.
  8. ^ Вторичный Исследование потока в Университете Дарема архивной 2008-05-01 в Wayback Machine
  9. ^ http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/arc/cp/1363.pdf , стр.8
  10. Перейти ↑ Dixon, SL (1978), Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery pp 181–184, Fourth edition, Pergamon Press Ltd, UK ISBN 0-7506-7870-4 
  11. ^ https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a028337.pdf 5-22
  12. ^ Бренна, CE, Гидродинамика Насосы , архивированной с оригинала на 2010-03-09 , извлекаться 2010-03-24
  13. ^ Диксон, С.Л. (1978), Гидромеханика и термодинамика турбомашин, стр. 194, четвертое издание, Pergamon Press Ltd, UK ISBN 0-7506-7870-4 
  14. ^ Управление теплом в перспективных авиационных газотурбинных двигателях, рассол и Грей, United Technologies Corporation, Американское общество инженеров-механиков, Документ 86-GT-76, стр.
  15. ^ Аэротермодинамика авиационных газотурбинных двигателей, Гордон К. Оутс, редактор, AFAPL-TR-78-52, Лаборатория авиадвигателей ВВС, База ВВС Райт Паттерсон, 45433 Огайо, 1.2.3.3.1

Ссылки [ править ]

  • Диксон, С.Л. (1978), Гидромеханика и термодинамика турбомашин, стр. 181–184, третье издание, Pergamon Press Ltd, UK ISBN 0-7506-7870-4 

Внешние ссылки [ править ]

  • Совместное CFD и анализ теплового стационарного состояния вторичного тракта паровой турбины
  • Вторичный поток на Youtube