1.5 Вихревое движение
Это движение жидкости
или газа,
при котором мгновенная скорость вращения
элементарных объёмов среды не равна
нулю. Количественной мерой завихренности
служит вектор
,
где v — скорость жидкости; ω называют
вектором
вихря или
просто завихренностью.
Движение называется безвихревым или потенциальным,
если ω = 0, в противном случае имеет место
вихревое движение.
Векторное
поле вихря удобно характеризовать
некоторыми геометрическими
образами. Вихревой
линией называется линия, касательная
к которой в каждой точке направлена по
вектору вихря; совокупность вихревых
линий, проходящих через замкнутую
кривую, образует вихревую
трубку. Поток вектора вихря через
любое сечение вихревой трубки одинаков.
Он называется интенсивностью вихревой
трубки и равен циркуляции скорости
(28)
по произвольному контуру C, однократно охватывающему вихревую трубку.
За редким исключением, движение жидкости или газа почти всегда бывает вихревым. Так, вихревым является ламинарное течение в круглой трубе, когда скорость распределяется по параболическому закону, течение в пограничном слое при плавном обтекании тела и в следе за плохо обтекаемым телом. Вихревой характер носит любое турбулентное течение. В этих условиях выделение класса «вихревое движение» оказывается осмысленным, благодаря тому, что при преобладании инерционных сил над вязкими (при очень больших числах Рейнольдса) типична локализация завихрености в обособленнх массах жидкости — вихрях или вихревых зонах.
Согласно классическим теоремам Гельмгольца, в предельном случае движения невязкой жидкости, плотность которой постоянна или зависит только от давления, в потенциальном силовом поле вихревые линии вморожены в среду, то есть в процессе движения они состоят из одних и тех же частиц жидкости — являются материальными линиями. Вихревые трубки при этом оказываются вмороженными в среду, а их интенсивность сохраняется в процессе движения. Сохраняется также циркуляция скорости по любому контуру, состоящему из одних и тех же частиц жидкости (теорема Кельвина). В частности, если при движении область, охватываемая данным контуром, сужается, то интенсивность вращательного движения внутри него возрастает. Это важный механизм концентрации завихренности, реализующийся при вытекании жидкости из отверстия в дне сосуда (ванны), при образовании водоворотов вблизи нисходящих потоков в реках и определяющий образование циклонов и тайфунов в зонах пониженного атмосферного давления в которые происходит подтекание (конвергенция) воздушных масс.
В
жидкости, находящейся в состоянии покоя
или потенциального движения, вихри
возникают либо из-за нарушения баротонии,
например образование кольцевых вихрей
при подъёме нагретых масс воздуха — термиков,
либо из-за взаимодействия с твердыми
телами.
Если обтекание тела происходит при больших числах Re, завихренность порождается в узких зонах — в пограничном слое — проявлением вязких эффектов, а затем сносится в основной поток, где формируются отчетливо видимые вихри, некоторое время эволюционирующие и сохраняющие свою индивидуальность. Ососбенно эффектно это проявляется в образовании за плохообтекаемым телом регулярной вихревой дорожки Кармана. Вихреобразование в следе за плохообтекаемым телом определяет основная часть лобового сопротивления тела, а образование вихрей у концов крыльев летательных аппаратов вызывает дополнительное индуктивное сопротивление.
При
анализе динамических вихрей и их
взаимодействия с внешним безвихревым
потоком часто используется модель
сосредоточенных вихрей — вихревых
нитей,
представляющих собой вихревые трубки
крошечной интенсивности, но бесконечно
малого диаметра. Вблизи вихревой нити
жидкость движется относительно нее по
окружностям, причём скорость обратно
пропорциональна расстоянию от нити, v =
Г/2πr.
Если ось нити прямолинейна, это выражение
верно для любых расстояний от нити
(потенциальный вихрь). В сечении нормальной
плоскости это течение соответствует
точечному вихрю. Система точечных вихрей
представляет собой консервативную
динамическую систему с конечным числом
степеней свободы, во многом аналогичную
системе взаимодействующих частиц. Сколь
угодно малое возмущение первоначально
прямолинейных вихревых нитей приводит
к их искривлению с бесконечными
скоростями. Поэтому в расчетах их
заменяют вихревыми трубками конечной
завихренности. Узкая область завихренности,
разделяющая две протяженные области
безвихревого движения, моделируется
пеленой — поверхностью, выстланной
вихревыми нитями бесконечно малой
интенсивности, так, что суммарная их
интенсивность на единицу длины по
нормали к ним вдоль поверхности постоянна.
Вихревая поверхность представляет
собой поверхность разрыва касательных
компонент скорости. Она неустойчива к
малым возмущениям.
В
вязкой жидкости происходит выравнивание
диффузия локализированных
завихренностей, причем роль коэффициента
диффузии играет
кинематическая вязкость жидкости
.
При этом эволюция завихренности
определяется уравнением
(29)
или
(30)
то
есть быстрота изменения вектора ω
определяется производной вектора
по
направлению ω.
При
больших числах Re движение турбулизируется,
и диффузия завихренности определяется
много большим коэффициентом
эффективной турбулентной
вязкости, не являющимся константой
для жидкости и сложным образом зависящим
от характера движения.
