Вихревое кольцо - Vortex ring

Снимок искрового изображения вихревого кольца в полете.

А вихревое кольцо, также называемый тороидальный вихрь, это тор -образный вихрь в жидкость или же газ; то есть область, где жидкость в основном вращается вокруг воображаемой оси, образующей замкнутый контур. Доминирующим потоком в вихревом кольце называют тороидальный, точнее полоидальный.[требуется разъяснение ]

Вихревых колец много в бурный потоков жидкостей и газов, но редко замечаются, если движение жидкости не обнаруживается взвешенными частицами, как в кольца дыма которые часто производятся курильщиками намеренно или случайно. Огненные вихревые кольца также часто производятся пожиратели огня. Видимые вихревые кольца также могут образовываться при срабатывании определенных артиллерия, в грибовидные облака, И в микровзрывы.[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

Обтекание идеализированного вихревого кольца

В типичном вихревом кольце частицы жидкости движутся примерно по круговой траектории вокруг воображаемого круга ( основной), перпендикулярно этим путям. Как и в любом вихре, скорость жидкости примерно постоянна, за исключением ядра, так что угловая скорость увеличивается по направлению к ядру, и большая часть завихренность (и, следовательно, большая часть рассеиваемой энергии) сосредоточена около него.

В отличие от морская волна, движение которого только кажущееся, 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 пистолет вихревого кольца для борьбы с беспорядками и игрушки вихревого кольца такой как воздушные вихревые пушки.[4]

Формирование

Один из способов образования вихревого кольца - это нагнетание компактной массы быстро движущейся жидкости (А) в массу неподвижной жидкости (B) (которая может быть той же жидкостью). Вязкое трение на границе между двумя жидкостями замедляет внешние слои А относительно его ядра. Эти внешние слои затем скользят по массе А и собираются в задней части, где они повторно входят в массу вслед за более быстро движущейся внутренней частью. Конечный результат - полоидальный поток в А который превращается в вихревое кольцо.

Этот механизм обычно наблюдается, например, когда капля цветной жидкости падает в чашку с водой. Его также часто можно увидеть на передней кромке шлейф или струя 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 в 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. Так изгоняют курильщика кольца дыма изо рта, и как больше всего игрушки вихревого кольца работай.

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 путем встряхивания ароматическая палочка. Вихревое кольцо также можно создать вращением пропеллер, как в блендер.

Другие примеры

Состояние вихревого кольца в вертолетах

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

Воздушные вихри могут образовываться вокруг главный ротор из вертолет, вызывая опасное состояние, известное как состояние вихревого кольца (VRS) или «урегулирование с помощью силы». 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

В левой части образуется вихревое кольцо. желудочек из человеческое сердце во время сердечной релаксации (диастола ), как струя из кровь входит через митральный клапан. Это явление первоначально наблюдалось in vitro[5][6] и впоследствии усилены анализами, основанными на цветное доплеровское картирование[7][8] и магнитно-резонансная томография.[9][10] Некоторые недавние исследования[11][12] также подтвердили наличие вихревого кольца во время быстрое наполнение фаза диастола и подразумевает, что процесс образования вихревого кольца может влиять на митральное кольцо динамика.

Пузырьковые кольца

Выпуск воздуха из подводных форм пузырьковые кольца, которые представляют собой вихревые кольца воды с пузырьками (или даже одиночным пузырем в форме пончика), захваченными вдоль его оси. Такие кольца часто производят аквалангисты и дельфины.[13]

Разделенные вихревые кольца

Пучок одуванчика, образующий отдельное вихревое кольцо для стабилизации полета.

Были проведены исследования и эксперименты по существованию разделенных вихревых колец (SVR), таких как те, которые образуются после пушок из одуванчик. 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

Исторические исследования

Вихревые кольца, должно быть, были известны с тех пор, как люди курили, но научное понимание их природы должно было подождать развития математических моделей гидродинамики, таких как Уравнения Навье-Стокса.

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

Сферические вихри

Для многих целей кольцевой вихрь можно аппроксимировать как имеющий вихревое ядро ​​малого поперечного сечения. Однако простое теоретическое решение, названное сферическим вихрем Хилла[21] после английского математика Михей Джон Мюллер Хилл (1856–1929), известно, в котором завихренность распределен внутри сферы (однако внутренняя симметрия потока остается кольцевой). Такая структура или ее электромагнитный эквивалент были предложены как объяснение внутренней структуры шаровая молния. Например, Шафранов[нужна цитата ] 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 рассмотрел общее равновесие для распределенных токов и пришел к выводу, что Теорема вириала что если бы не было гравитации, ограниченная равновесная конфигурация могла бы существовать только при наличии азимутального тока.

Нестабильность

Своеобразная азимутальная лучисто-симметричная структура обнаружила Максворти.[22] когда вихревое кольцо движется вокруг критической скорости, которая находится между турбулентным и ламинарным состояниями. Позже Хуанг и Чан[23] сообщил, что если начальное состояние вихревого кольца не идеально круглое, возникнет другой вид нестабильности. 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 обратном направлении (растягивается в горизонтальном направлении и сжимается. по вертикали) перед тем, как обратить процесс и вернуться в исходное состояние.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Микровзрыв как вихревое кольцо». Отдел прогнозных исследований. НАСА. Архивировано из оригинал на 2011-07-18. Получено 2010-01-10.
  2. ^ Чемберс, Джозеф Р. (1 января 2003 г.). "Сдвиг ветра". От концепции к реальности: вклад Исследовательского центра Лэнгли в создание гражданской авиации США в 1990-е годы (PDF). НАСА. С. 185–198. HDL:2060/20030059513. Архивировано из оригинал на 2007-10-09. Получено 2007-10-09.
  3. ^ Бэтчелор, Г. (1967), Введение в гидродинамику, Cambridge University Press, стр. 521–526, ISBN  978-0-521-09817-5
  4. ^ Физика в тороидальном вихре: воздушная пушка Центр физики, Американское физическое общество. По состоянию на январь 2011 г.
  5. ^ Беллхаус, Б.Дж., 1972 г., Гидравлическая механика модели митрального клапана и левого желудочка, Сердечно-сосудистые исследования 6, 199–210.
  6. ^ Реул, Х., Талукдер, Н., Мюллер, В., 1981, Гидравлическая механика естественного митрального клапана, Журнал биомеханики 14, 361–372.
  7. ^ Ким, У.Й., Бисгаард, Т., Нильсен, С.Л., Поульсен, Дж. К., Педерсен, Э. М., Хасенкам, Дж. М., Йоганатан, А. П., 1994, Двумерные профили скорости митрального потока на моделях свиней с использованием эпикардиальной эхо-допплер-кардиографии, J Am Coll Cardiol 24, 532–545.
  8. ^ Вирендилс, Дж. А., Э. Дик и П. Р. Вердонк, Гидродинамика скорости распространения волны доплеровского потока в цветном M-режиме V (p): компьютерное исследование, Варенье. Soc. Эхокардиогр. 15: 219–224, 2002.
  9. ^ Ким, У.Й., Уокер, П.Г., Педерсен, Э.М., Поулсен, Дж. К., Ойре, С., Хоулинд, К., Йоганатан, А.П., 1995, Паттерны кровотока в левом желудочке у здоровых субъектов: количественный анализ с помощью трехмерного картирования скорости магнитного резонанса, 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. ^ Херадвар А., Милано М., Гариб М. Корреляция между образованием вихревого кольца и динамикой митрального кольца при быстром наполнении желудочков, Журнал ASAIO, январь – февраль 2007 г. 53 (1): 8–16.
  12. ^ Херадвар А., Гариб М. Влияние перепада давления в желудочках на динамику митрального кольца через процесс образования вихревого кольца, Энн Биомед Eng. 2007 декабрь; 35 (12): 2050–2064.
  13. ^ Дон Уайт. "Тайна серебряных колец". Архивировано из оригинал на 2007-10-26. Получено 2007-10-25.
  14. ^ Ledda, P.G .; Siconolfi, L .; Альт, F .; Camarri, S .; Галлер, Ф. (02.07.2019). «Динамика потока хохолка одуванчика: подход линейной устойчивости». Physical Review Fluids. 4 (7). Дои:10.1103 / Physrevfluids.4.071901. ISSN  2469-990X.
  15. ^ а б Cummins, Cathal; Сил, Мадлен; Масенте, Алиса; Чертини, Даниэле; Мастропаоло, Энрико; Виола, Игнацио Мария; Накаяма, Наоми (2018). «Отделенное вихревое кольцо лежит в основе полета одуванчика» (PDF). Природа. 562 (7727): 414–418. Дои:10.1038 / s41586-018-0604-2. ISSN  0028-0836. PMID  30333579.
  16. ^ Ямамото, Кёдзи (ноябрь 1971 г.). «Течение вязкой жидкости при малых числах Рейнольдса мимо пористой сферы». Журнал Физического общества Японии. 31: № 5.
  17. ^ фон Гельмгольц, Х. (1858), "Über Integrale der hydrodynamischen Gleichungen, welcher der Wirbelbewegungen entsprechen" [Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение], Журнал für die reine und angewandte Mathematik (на немецком), 56: 25–55
  18. ^ фон Гельмгольц, Х. (1867). «Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение» (PDF). Философский журнал. Серия 4. 33 (226). Дои:10.1080/14786446708639824. (Перевод 1867 г. журнальной статьи 1858 г.)
  19. ^ Моффатт, Кит (2008). «Вихревая динамика: наследие Гельмгольца и Кельвина». Симпозиум IUTAM по гамильтоновой динамике, вихревым структурам, турбулентности. Книжная серия IUTAM. 6: 1–10. Дои:10.1007/978-1-4020-6744-0_1. ISBN  978-1-4020-6743-3.
  20. ^ Введение в динамику жидкости, Бэтчелор, Г. К., 1967, Кембриджский университет
  21. ^ Хилл, M.J.M. (1894 г.). «На сферическом вихре». Философские труды Лондонского королевского общества A. 185: 213–245. Bibcode:1894RSPTA.185..213H. Дои:10.1098 / рста.1894.0006.
  22. ^ Максворти, Т. Дж. (1972) Структура и устойчивость вихревого кольца, Fluid Mech. Vol. 51, стр. 15
  23. ^ Хуанг, Дж., Чан, К. (2007) Двойная волнообразная неустойчивость в вихревых кольцах., Proc. 5-я Международная выставка IASME / WSEAS. Конф. Жидкий мех. & Aerodyn., Греция

внешняя ссылка