ВИХРЕВО́Е ТЕЧЕ́НИЕ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВИХРЕВО́Е ТЕЧЕ́НИЕ, течение жидкости или газа, при котором их малые элементы (частицы) перемещаются не только поступательно, но и вращаются вокруг мгновенной оси.
Подавляющее большинство течений в природе или технике представляют собой В. т. Напр., В. т. имеет место при движении воды в трубе как в случае ламинарного течения, так и в случае турбулентного течения. Вращение частиц здесь обусловлено прилипанием воды к стенке трубы, где скорость воды равна нулю. При удалении от стенки скорость быстро возрастает, так что скорости соседних слоёв значительно отличаются друг от друга. В результате тормозящего действия одного слоя и ускоряющего действия другого (рис. 1) возникает вращение частиц, т. е. вихревое течение.
Количественно В. т. можно охарактеризовать вектором вихря, или завихрённостью, $\boldsymbol{𝛚}=rot\boldsymbol{v}$ (где $\boldsymbol{v}$ – скорость жидкости или газа), которая определяется пространственным распределением вектора скорости $\boldsymbol{v}$. Если $ω=0$ в некоторой области, то такое течение называется безвихревым. Линия, касательная к которой в каждой точке направлена по вектору $\boldsymbol{𝛚}$, называется вихревой линией. Совокупность вихревых линий, проходящих через замкнутую кривую, образует вихревую трубку. Вихревая трубка не может иметь внутри жидкости ни начала, ни конца: она может быть замкнутой (вихревое кольцо) или должна иметь начало и конец на границах жидкости. Примеры В. т.: в атмосфере – циклоны, антициклоны, смерчи; в океане – синоптические вихри, имеющие диаметры до нескольких сотен километров и глубину до нескольких километров; в реках – водовороты и мелкомасштабные вихри, образующиеся при обтекании ям, препятствий и т. п.
Во всякой вязкой жидкости действуют силы трения, в результате которых вихри меняют свою интенсивность – постепенно затухают. Т. к. вода и особенно воздух имеют малую вязкость, то в них вихри могут сохраняться продолжительное время; напр., антициклоны и циклоны в атмосфере – на протяжении месяцев, синоптические вихри в океане – до нескольких лет. В среде, лишённой вязкости (идеальная жидкость), вихри не могли бы самопроизвольно появиться, а будучи созданы, не могли бы затухать. В средах с малой вязкостью (вода, воздух) В. т. возникает в тех областях, где вязкость проявляется сильнее всего: в слое вблизи обтекаемого тела, пограничном слое. За обтекаемым жидкостью телом формируется след, содержащий течения, волны и вихри, часто формирующие вихревые дорожки (рис. 2). Вихри, возникающие при движении тела в среде, определяют значит. часть подъёмной силы и силы лобового сопротивления, действующих на него. В. т. учитывается при расчёте и конструировании самолётов, надводных и подводных судов, мор. сооружений, винтов, лопаток турбин и т. п. Изучение В. т. важно для анализа динамики и процессов переноса энергии, вещества, в частности загрязнений, в атмосфере и гидросфере.