Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Снимок искрового изображения вихревого кольца в полете.

Вихревое кольцо , также называемое тороидальный вихрем , является тор -образного вихрем в жидкости или газа ; то есть область, где жидкость в основном вращается вокруг воображаемой оси, образующей замкнутый контур. Преобладающее течение в вихревом кольце называется тороидальным , точнее полоидальным . [ требуется разъяснение ]

Вихревые кольца многочисленны в турбулентных потоках жидкостей и газов, но редко замечаются, если движение жидкости не обнаруживается взвешенными частицами - как в кольцах дыма, которые часто создаются намеренно или случайно курильщиками. Огненные вихревые кольца также часто используют пожиратели огня . Видимые вихревые кольца также могут образовываться при стрельбе определенной артиллерии , в грибовидных облаках и микровзрывах . [1] [2]

Вихревое кольцо обычно имеет тенденцию двигаться в направлении, перпендикулярном плоскости кольца, и так, что внутренний край кольца движется вперед быстрее, чем внешний край. В неподвижном теле жидкости вихревое кольцо может перемещаться на относительно большие расстояния, унося с собой вращающуюся жидкость.

Структура [ править ]

Обтекание идеализированного вихревого кольца

В типичном вихревом кольце частицы жидкости движутся примерно по круговой траектории вокруг воображаемого круга ( ядра ), перпендикулярного этим траекториям. Как и в любом вихре, скорость жидкости примерно постоянна, за исключением области вблизи ядра, так что угловая скорость увеличивается по направлению к ядру, и большая часть завихренности (и, следовательно, большая часть диссипации энергии) сосредоточена около него.

В отличие от морской волны , движение которой очевидно, движущееся вихревое кольцо действительно увлекает 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 перемещаться на большие расстояния с относительно небольшой потерей массы и кинетической энергии, и небольшие изменения в размере или форме. Таким образом, вихревое кольцо может переносить массу гораздо дальше и с меньшей дисперсией, чем струя жидкости. Это объясняет, например, почему дымовое кольцо продолжает двигаться еще долго после того, как любой дополнительный дым, выпущенный вместе с ним, остановился и рассеялся. [3] Эти свойства вихревых колец используются в пушке вихревых колец для борьбы с беспорядками иигрушки с вихревыми кольцами, такие как воздушные вихревые пушки . [4]

Формирование [ править ]

Один из способов образования вихревого кольца - это нагнетание компактной массы быстро движущейся жидкости ( A ) в массу неподвижной жидкости ( B ) (которая может быть той же самой жидкостью). Вязкое трение на границе раздела двух жидкостей замедляет внешние слои A относительно его ядра. Затем эти внешние слои скользят вокруг массы А и собираются в задней части, где они снова входят в массу вслед за более быстро движущейся внутренней частью. Конечным результатом является полоидальный поток в A, который превращается в вихревое кольцо.

Этот механизм обычно наблюдается, например, когда капля цветной жидкости падает в чашку с водой. Его также часто можно увидеть у передней кромки факела или струи жидкости, когда она входит в неподвижную массу; грибовидная голова («стартовый шлейф»), развивающаяся на кончике струи, имеет структуру вихревого кольца.

Вихревое кольцо микровзрыва

Вариант этого процесса может иметь место, когда струя внутри жидкости ударяется о плоскую поверхность, как при микровзрыве. В этом случае полоидальное вращение вихревого кольца происходит из-за вязкого трения между слоем быстрого выходящего потока у поверхности и более медленно движущейся жидкостью над ней.

Вихревое кольцо также образуется, когда масса жидкости импульсивно выталкивается из замкнутого пространства через узкое отверстие. В этом случае полоидальный поток приводится в движение, по меньшей мере частично, за счет взаимодействия между внешними частями текучей массы и краями отверстия. Вот как курильщик выталкивает кольца дыма изо рта и как работает большинство игрушек с вихревыми кольцами .

Вихревые кольца также могут образовываться вслед за твердым предметом, который падает или движется в жидкости с достаточной скоростью. Они также могут образовываться перед объектом, который резко меняет свое движение вместе с жидкостью, например, при образовании колец дыма при встряхивании ароматической палочки . Вихревое кольцо также может быть создано вращающимся пропеллером , как в блендере .

Другие примеры [ править ]

Состояние вихревого кольца в вертолетах [ править ]

Основная статья: состояние вихревого кольца
Изогнутые стрелки указывают на циркуляцию воздушного потока вокруг диска ротора. Показанный вертолет - RAH-66 Comanche .

Воздушные вихри могут формироваться вокруг основного ротора в виде вертолета , в результате чего опасного состояния , известное как вихревое кольцо состояния (ВРС) или «взаиморасчет с силой». В этом состоянии воздух, который движется вниз через ротор, поворачивается наружу, затем вверх, внутрь и затем снова вниз через ротор. Эта рециркуляция потока может свести на нет большую часть подъемной силы и вызвать катастрофическую потерю высоты. Применение большей мощности (увеличение общего шага) служит для дальнейшего ускорения потока вниз, через который опускается несущий винт, усугубляя ситуацию.

В человеческом сердце [ править ]

Вихревое кольцо формируются в левом желудочке в сердце человека во время сердечной релаксации ( диастолы ), как струя из крови поступает через митральный клапан . Это явление первоначально наблюдалось in vitro [5] [6] и впоследствии было усилено анализами, основанными на цветном доплеровском картировании [7] [8] и магнитно-резонансной томографии . [9] [10] Некоторые недавние исследования [11] [12] также подтвердили наличие вихревого кольца во время фазы быстрого наполнения диастолы.и подразумевает, что процесс образования вихревого кольца может влиять на динамику митрального кольца .

Пузырьковые кольца [ править ]

Выпускаемый под водой воздух образует пузырьковые кольца , которые представляют собой вихревые кольца воды с пузырьками (или даже одним пузырем в форме пончика), захваченными вдоль его оси. Такие кольца часто производят аквалангисты и дельфины . [13]

Разделенные вихревые кольца [ править ]

Пучок одуванчика, образующий отдельное вихревое кольцо для стабилизации полета.

Там были исследования и эксперименты на существовании разделенных вихревых колец (СВР) , такие как те , которые образуются в результате в хохолке о наличии одуванчика . Этот специальный тип вихревого кольца эффективно стабилизирует семена при движении по воздуху и увеличивает подъемную силу, создаваемую семенами. [14] [15] По сравнению со стандартным вихревым кольцом, которое движется вниз по потоку, аксиально-симметричный SVR остается прикрепленным к хохолку на протяжении всего полета и использует сопротивление для увеличения хода. [15] [16]

Теория [ править ]

Исторические исследования [ править ]

Вихревые кольца, должно быть, были известны с тех пор, как люди курили, но научное понимание их природы должно было подождать, пока не появятся математические модели динамики жидкости, такие как уравнения Навье-Стокса .

Вихревые кольца были впервые математически проанализированы немецким физиком Германом фон Гельмгольцем в его статье 1858 года « Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение» . [17] [18] [19] Формирование, движение и взаимодействие вихревых колец широко изучены. [20]

Сферические вихри [ править ]

Для многих целей кольцевой вихрь может быть аппроксимирован как имеющий вихревое ядро ​​небольшого поперечного сечения. Однако известно простое теоретическое решение, названное сферическим вихрем Хилла [21] в честь английского математика Михея Джона Мюллера Хилла (1856–1929), в котором завихренность распределена внутри сферы (однако внутренняя симметрия потока все еще кольцевая) . Такая структура или ее электромагнитный эквивалент были предложены для объяснения внутренней структуры шаровой молнии . Например, Шафранов [ ссылка ]использовал магнитогидродинамическую (МГД) аналогию стационарного жидкостного механического вихря Хилла для рассмотрения условий равновесия аксиально-симметричных МГД-конфигураций, сведя проблему к теории стационарного течения несжимаемой жидкости. В аксиальной симметрии он рассматривал общее равновесие для распределенных токов и пришел к выводу, согласно теореме вириала, что если бы не было гравитации, ограниченная равновесная конфигурация могла бы существовать только при наличии азимутального тока.

Нестабильности [ править ]

Своеобразная азимутальная лучисто-симметричная структура наблюдалась Максворти [22], когда вихревое кольцо двигалось с критической скоростью, которая находится между турбулентным и ламинарным состояниями. Позже Хуанг и Чан [23] сообщили, что если начальное состояние вихревого кольца не является идеально круглым, возникнет другой вид неустойчивости. Эллиптическое вихревое кольцо совершает колебания, при которых оно сначала растягивается в вертикальном направлении и сжимается в горизонтальном направлении, затем проходит через промежуточное состояние, в котором оно является круглым, а затем деформируется в противоположном направлении (растягивается в горизонтальном направлении и сжимается. по вертикали) перед тем, как обратить процесс и вернуться в исходное состояние.

См. Также [ править ]

  • Воздушная вихревая пушка
  • Bubble ring - подводное вихревое кольцо
  • Грибное облако
  • Тороидальный момент
  • Пистолет с вихревым кольцом
  • Игрушка вихревого кольца

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Микровзрыв как вихревое кольцо" . Отдел прогнозных исследований . НАСА. Архивировано из оригинала на 2011-07-18 . Проверено 10 января 2010 .
  2. ↑ Чемберс, Джозеф Р. (1 января 2003 г.). «Сдвиг ветра» . Концепция к реальности: Вклад Исследовательского центра Лэнгли в гражданские самолеты США 1990-х годов (PDF) . НАСА. С. 185–198. ЛВП : 2060/20030059513 . Архивировано из оригинала на 2007-10-09 . Проверено 9 октября 2007 .
  3. ↑ Batchelor, GK (1967), Введение в динамику жидкости , Cambridge University Press, стр. 521–526, ISBN 978-0-521-09817-5
  4. ^ Физика в тороидальном вихре: Центр физики воздушной пушки , Американское физическое общество. По состоянию на январь 2011 г.
  5. ^ Bellhouse, BJ, 1972, Fluid механика митрального клапана модели и левого желудочка , сердечнососудистых исследований 6, 199-210.
  6. ^ Reul, H., Talukder, N., Muller, W., 1981, Гидравлическая механика естественного митрального клапана , Journal of Biomechanics 14, 361–372.
  7. ↑ Kim, WY, Bisgaard, T., Nielsen, SL, Poulsen, JK, Pedersen, EM, Hasenkam, JM, Yoganathan, AP, 1994, Двумерные профили скорости митрального потока в моделях свиней с использованием эпикардиальной эхо-доплеровской кардиографии , J Am Coll Cardiol 24, 532–545.
  8. ^ Vierendeels, JA, E. Dick, и PR Verdonck, Гидродинамика скорости распространения волны доплеровского потока в цветном M-режиме V (p): компьютерное исследование , J. Am. Soc. Эхокардиогр. 15: 219–224, 2002.
  9. ^ Ким, Вайоминг, Уокер, П.Г., Педерсен, Э.М., Поулсен, Дж. К., Ойр, С., Хоулинд, К., Йоганатан, А.П., 1995, Паттерны кровотока в левом желудочке у нормальных субъектов: количественный анализ с помощью трехмерного магнитного резонанса отображение скоростей , J Am Coll Cardiol 26, 224–238.
  10. ^ Килнер, П.Дж., Янг, Г.З., Уилкс, А.Дж., Мохиаддин, Р.Х., Фирмин, Д.Н., Якуб, М.Х., 2000, Асимметричное перенаправление потока через сердце , Nature 404, 759–761.
  11. ^ Kheradvar, А., Милан, М., Гариб, М. Корреляция между образованием вихревого кольца и митральными динамиками затрубного пространства во время желудочкового быстрого наполнения , ASAIO Journal, январь-февраль 2007 53 (1): 8-16.
  12. ^ Kheradvar, А., Гариб, М. Влияние желудочковой перепаде давления на митральных динамики кольцевого пространства через процесс формирования вихревого кольца , Ann Biomed Eng. 2007 декабрь; 35 (12): 2050–2064.
  13. ↑ Дон Уайт. «Тайна серебряных колец» . Архивировано из оригинала на 2007-10-26 . Проверено 25 октября 2007 .
  14. ^ Ледда, PG; Siconolfi, L .; Альт, F .; Camarri, S .; Галлер, Ф. (02.07.2019). «Динамика потока хохолка одуванчика: подход линейной устойчивости». Physical Review Fluids . 4 (7): 071901. Bibcode : 2019PhRvF ... 4g1901L . DOI : 10.1103 / physrevfluids.4.071901 . ISSN 2469-990X . 
  15. ^ a b Cummins, Cathal; Сил, Мадлен; Масенте, Алиса; Чертини, Даниэле; Мастропаоло, Энрико; Виола, Игнацио Мария; Накаяма, Наоми (2018). «Отделившееся вихревое кольцо лежит в основе полета одуванчика» (PDF) . Природа . 562 (7727): 414–418. Bibcode : 2018Natur.562..414C . DOI : 10.1038 / s41586-018-0604-2 . ISSN 0028-0836 . PMID 30333579 . S2CID 52988814 .    
  16. ↑ Ямамото, Кёдзи (ноябрь 1971 г.). «Течение вязкой жидкости при малых числах Рейнольдса мимо пористой сферы». Журнал Физического общества Японии . 31 (5): 1572. Bibcode : 1971JPSJ ... 31.1572Y . DOI : 10,1143 / JPSJ.31.1572 .
  17. ^ фон Гельмгольц, Х. (1858), "Über Integrale der hydrodynamischen Gleichungen, welcher der Wirbelbewegungen entsprechen" [Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение], Journal für die reine und angewandte Mathematik (на немецком языке), 56 : 25–55
  18. ^ фон Гельмгольц, Х. (1867). «Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение» (PDF) . Философский журнал . Серия 4. 33 (226). DOI : 10.1080 / 14786446708639824 . (Перевод 1867 г. журнальной статьи 1858 г.)
  19. ^ Моффат, Keith (2008). «Вихревая динамика: наследие Гельмгольца и Кельвина». Симпозиум IUTAM по гамильтоновой динамике, вихревым структурам, турбулентности . Книжная серия IUTAM. 6 : 1–10. DOI : 10.1007 / 978-1-4020-6744-0_1 . ISBN 978-1-4020-6743-3.
  20. ^ Введение в динамику жидкости , Batchelor, GK , 1967, Cambridge UP
  21. ^ Хилл, MJM (1894). «На сферическом вихре» . Философские труды Королевского общества Лондона A . 185 : 213–245. Bibcode : 1894RSPTA.185..213H . DOI : 10,1098 / rsta.1894.0006 .
  22. ^ Максворти, Т.Дж. (1972) Структура и стабильность вихревого кольца , Fluid Mech. Vol. 51, стр. 15
  23. ^ Хуанг, Дж., Чан, К.Т. (2007) Двойная волнообразная неустойчивость в вихревых кольцах , Proc. 5-я Международная выставка IASME / WSEAS. Конф. Жидкий мех. & Aerodyn., Греция

Внешние ссылки [ править ]

  • YouTube-видео с кольцевой пушкой Vortex
  • Лекция по гидродинамике о вихрях
  • Анимация вихревого кольца
  • Генератор гигантских вихревых колец
  • Физика игрушечного ящика: вихри, воздушные пушки и грибовидные облака
  • Диссертация об образовании и взаимодействии вихревых колец.
  • Вихревое полукольцо в бассейне, Дайанна Кауэрн (Physics Girl), YouTube
  • Другие эксперименты с вихревыми кольцами в бассейне, Дайанна Кауэрн (Physics Girl), YouTube