В гидродинамике, вихрь - это завихрение жидкости и обратный ток, создаваемый, когда жидкость находится в режиме турбулентного потока. 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.
Склонность жидкости к завихрение используется для улучшения 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.
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)В 1883 году ученый Осборн Рейнольдс провел эксперимент по гидродинамике с использованием воды и красителя, в котором он отрегулировал скорости жидкости и наблюдал переход от ламинарного к турбулентному потоку. характеризуется образованием вихрей и вихрей. 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, когда возникнет турбулентный поток. По сути, число Рейнольдса - это соотношение сил инерции и сил вязкости.
фотография Шлирена, показывающая тепловую конвекцию, поднимающуюся от обычной свечи в неподвижном воздухе. Шлейф изначально ламинарный, но переход к турбулентности происходит в верхней 1/3 изображения. Изображение было получено с помощью шлирен-зеркала диаметром один метр Гэри Сеттлс.Общая форма числа Рейнольдса, протекающего через трубку радиуса r (или диаметра d):
, где v - скорость жидкости, ρ - ее плотность, r - радиус трубки, а μ - вязкость жидкости. турбулентный поток в жидкости определяется критическим числом Рейнольдса, для закрытой трубы это составляет примерно
В терминах критического числа Рейнольдса критическая скорость представлена как
Это модели турбулентности, в которых напряжения Рейнольдса, полученные из усреднения по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса, моделируются линейной определяющей зависимостью от среднего поле деформации потока, как:
где
Гемодинамика - это исследование кровотока в кровеносной системе. Кровоток в прямых участках артериального дерева обычно ламинарный (высокое направленное напряжение стенки), но ветви и изгибы в системе вызывают турбулентный поток. Турбулентный кровоток в артериальном дереве может вызвать ряд побочных эффектов, включая атеросклеротические поражения, послеоперационную гиперплазию неоинтимы, рестеноз внутри стента, недостаточность трансплантата венозного обхода, васкулопатию трансплантата и кальцификацию аортального клапана.
Сравнение воздушного потока вокруг гладкого мяча для гольфа и мяча для гольфа с ямочками.Подъемные и тормозные свойства мячей для гольфа настраиваются путем манипулирования ямочками на поверхности мяча, позволяя мячу для гольфа двигаться дальше и быстрее в воздухе. Данные о явлениях турбулентного потока использовались для моделирования различных переходов в режимах потока жидкости, которые используются для тщательного перемешивания жидкостей и увеличения скорости реакции в промышленных процессах.
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. Вихревые образования распространяют мусор и другие загрязнители в концентрированные районы, которые исследователи отслеживают, чтобы улучшить очистку и предотвращение загрязнения. Распределение и движение пластмасс, вызванные вихревыми образованиями в естественных водоемах, можно предсказать с помощью лагранжевых моделей переноса. Мезомасштабные океанские водовороты играют решающую роль в переносе тепла к полюсу, а также в поддержании тепловых градиентов на разных глубинах.
Моделирование развития вихрей, поскольку оно связано с турбулентностью и явлениями переноса судьбы, является жизненно важен 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 требует образования динамических водоворотов, которые распространяют питательные вещества из-под пограничного слоя с образованием плюмов. 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.
Вихри. распространены 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.
Мезомасштабные вихри можно разделить на две категории: статические водовороты, вызванные обтеканием препятствия (см. анимацию), и кратковременные водовороты, 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 (почти 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, Haida Eddies ). 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.