ВИХРЕВО́Е ТЕЧЕ́НИЕ

ВИХРЕВО́Е ТЕЧЕ́НИЕ, те­че­ние жид­ко­сти или га­за, при ко­то­ром их ма­лые эле­мен­ты (час­ти­цы) пе­ре­ме­ща­ют­ся не толь­ко по­сту­па­тель­но, но и вра­ща­ют­ся во­круг мгно­вен­ной оси.

Рис. 1. Распределение скорости 𝒗 жидкости по сечению трубы; элементарные объёмы вращаются, как показано стрелками.

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.

Рис. 2. Картина вихревого течения за пластиной в стратифицированной жидкости.

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.