Вихревое кольцо , также называемое тороидальным вихрем , представляет собой вихрь в жидкости в форме тора ; то есть область, где жидкость в основном вращается вокруг линии воображаемой оси, образующей замкнутый контур. Преобладающее течение в вихревом кольце называется тороидальным , точнее полоидальным . [ нужны разъяснения ]
Вихревые кольца многочисленны в турбулентных потоках жидкостей и газов, но их редко замечают, если только движение жидкости не обнаруживается взвешенными частицами, как в кольцах дыма, которые часто создаются курильщиками намеренно или случайно. Огненные вихревые кольца также часто используются пожирателями огня . Видимые вихревые кольца могут образовываться также при стрельбе некоторых видов артиллерии , в грибовидных облаках и микровзрывах . [1] [2]
Вихревое кольцо обычно имеет тенденцию двигаться в направлении, перпендикулярном плоскости кольца, причем внутренний край кольца движется вперед быстрее, чем внешний. Внутри неподвижного тела жидкости вихревое кольцо может перемещаться на относительно большие расстояния, увлекая за собой вращающуюся жидкость.
В типичном вихревом кольце частицы жидкости движутся примерно по круговым траекториям вокруг воображаемого круга (ядра ) , перпендикулярного этим траекториям. Как и в любом вихре, скорость жидкости примерно постоянна, за исключением вблизи ядра, так что угловая скорость увеличивается по направлению к ядру, и большая часть завихренности (и, следовательно, большая часть рассеяния энергии) концентрируется вблизи него. [ нужна ссылка ]
В отличие от морской волны , движение которой только кажущееся, движущееся вихревое кольцо фактически увлекает за собой вращающуюся жидкость. Подобно тому, как вращающееся колесо уменьшает трение между автомобилем и землей, полоидальный поток вихря уменьшает трение между ядром и окружающей неподвижной жидкостью, позволяя ему путешествовать на большие расстояния с относительно небольшой потерей массы и кинетической энергии, и небольшое изменение размера или формы. Таким образом, вихревое кольцо может переносить массу гораздо дальше и с меньшим рассеиванием, чем струя жидкости. Это объясняет, например, почему кольцо дыма продолжает двигаться еще долго после того, как выброшенный им дополнительный дым остановился и рассеялся. [3] Эти свойства вихревых колец используются в пушках с вихревыми кольцами для борьбы с беспорядками и в игрушках с вихревыми кольцами , таких как воздушные вихревые пушки . [4]
Образование вихревых колец волновало научное сообщество уже более столетия, начиная с Уильяма Бартона Роджерса [5] , который провел глубокие наблюдения за процессом формирования воздушных вихревых колец в воздухе, воздушных колец в жидкостях и жидкостных колец в жидкостях. В частности, Уильям Бартон Роджерс использовал простой экспериментальный метод падения капли жидкости на свободную поверхность жидкости; падающая цветная капля жидкости, такой как молоко или окрашенная вода, неизбежно образует на границе раздела вихревое кольцо из-за поверхностного натяжения .