Концентрированный вихрь
Cтраница 3
Хотя применяемая в эксперименте вихревая камера не является каноническим объектом из-за квадратной формы поперечного сечения, тем не менее она оказалась весьма подходящей для изучения разнообразных вихревых структур. Более того, с помощью цилиндрических вставок было показано, что в режимах с концентрированными вихрями картины течения в приосевой области цилиндрического и прямоугольного каналов практически не отличаются друг от друга. [31]
 |
Распад вихря у дна тангенциальной камеры ( плоское дно под нижним ярусом сопел. выходная диафрагма с центральным отверстием. [32] |
Теперь очевидно, что изменение формы дна существенно повлияет на структуру течения в вихревой камере. В данном случае задача взаимодействия вихря с плоскостью представляет интерес не только с точки зрения генерации концентрированного вихря, но и в аспекте нахождения характеристик вихревой нити через измерения в донной области. Последняя проблема крайне актуальна для эксперимента, поскольку часто невозможно определить напрямую параметры вихревой нити ( особенно, винтовой) внутри камеры из-за сложности измерений. Этот вопрос будет рассмотрен ниже. [33]
Среди природных явлений, имеющих отношение к концентрированным вихрям, несомненно, следует назвать смерчи ( или торнадо, см. цв. Такие макромасштабные явления, как океанические вихри или атмосферные циклоны ( антициклоны), тоже относятся к концентрированным вихрям. Но их масштабы сопоставимы ( и больше) с толщиной слоя атмосферы ( океана), вследствие чего их описание имеет свою специфику. [34]
При полностью открытом выходе закрученный поток в тангенциальной камере имеет сложную структуру. Максимумы скоростей расположены у боковых стенок камеры, в приосевой зоне реализуется возвратное движение, а на границе этой зоны формируется один нечетко выраженный концентрированный вихрь ( иногда несколько), который прецессирует вокруг геометрической оси камеры. [35]
В огромном многообразии вихревых движений отчетливо выделяются концентрированные вихри, которые привлекают повышенный интерес с точки зрения как фундаментальных исследований, так и практики. В литературе не дается строгого определения концентрированных вихрей, как, впрочем, и вообще понятия вихря. Достаточно четкое определение концентрированного вихря можно дать для случая идеальной жидкости: это локализованная в пространстве область с ненулевой завихренностью, окруженная потенциальным течением. По таким определением, конечно, не исчерпывается наблюдаемое множество вихревых явлений. Мы будем пользоваться скорее интуитивным представлением, подразумевая под концентрированными вихрями такие вихревые движения, когда завихренность сосредоточена в пространственно локализованных областях с локализацией, по крайней мере, в одном измерении. Более сложные объекты - колоннообразный вихрь типа вихря Рэнкина ( постоянная завихренность в ядре конечного радиуса), телесное вихревое кольцо, вихрь Хилла, вихрь Хикса - имеют ненулевой объем области, где завихренность отлична от нуля. [36]
Хотя в литературе по гидродинамике вихревому движению и вихревым эффектам уделяется повышенное внимание, тем не менее не так много книг посвящено непосредственно вихрям и тем более - концентрированным. В предлагаемой монографии делается попытка осветить основные вопросы, связанные с их образованием и поведением. Поводом для написания книги послужили, в первую очередь, экспериментальные наблюдения авторов, связанные с впечатляющими картинами визуализации концентрированных вихрей, включая винтовые и двухспиральные, а также распад вихря. Впоследствии авторами был развит подход, основанный на идее винтовой симметрии закрученных потоков, который позволяет строить упрощенные математические модели и описывать многие вихревые явления. Основная часть книги посвящена теоретическому описанию динамики вихрей. Однако в последней главе приводятся детальные результаты экспериментальных наблюдений концентрированных вихрей, что дает пищу для размышлений и побуждает к дальнейшему развитию теории вихрей. [37]
Гупта и др., 1987 ], что в циклонно-вихревых камерах наиболее существенное влияние на структуру потока оказывают условия на выходе и на заглушенном торце камеры. В частности, концентрированный вихрь типа вихревой нити наблюдается в камере с диафрагмированным выходом. [38]
Перечисленные характерные свойства реальных концентрированных вихрей демонстрируют сложность и многообразие их поведения, что влечет за собой большие трудности как при математическом описании, так и экспериментальном исследовании. В связи с этим теории концентрированных вихрей базируются преимущественно па приближенных математических моделях. Наиболее распространенный подход к описанию динамики деформированного протяженного вихря заключается в применении закона Био - Савара с использованием приближения топкой вихревой нити, хотя слабовозмущенные состояния колоннообразного вихря можно рассчитать относительно просто аналитическими или численными методами на основе точных уравнений Эйлера или Навье - Стокса. Что касается эксперимента, то существует ограниченное количество работ, где получены результаты по устойчивости и динамике концентрированных вихрей, приемлемые для детальной проверки теоретических моделей. [39]
Экспериментальные данные по профилям тангенциальной и аксиальной компонент скоростей представлены на рис. 7.12, 7.13, соответственно в безразмерных и размерных координатах. На рис. 7.12 показаны профили скоростей в двух сечениях для сравнительно большого диаметра выходного отверстия de 100 мм. Важно отметить, что профиль тангенциальной скорости не меняется по высоте канала, в то время как профиль аксиальной компоненты претерпевает значительные изменения, а именно максимум скорости при приближении к выходному отверстию смещается к оси вихря. Примечательной особенностью распределений аксиальной скорости является наличие локального минимума на оси. Но всегда, когда формируется концентрированный вихрь, наблюдается интенсивный проток вдоль вихря. [41]
В огромном многообразии вихревых движений отчетливо выделяются концентрированные вихри, которые привлекают повышенный интерес с точки зрения как фундаментальных исследований, так и практики. В литературе не дается строгого определения концентрированных вихрей, как, впрочем, и вообще понятия вихря. Достаточно четкое определение концентрированного вихря можно дать для случая идеальной жидкости: это локализованная в пространстве область с ненулевой завихренностью, окруженная потенциальным течением. По таким определением, конечно, не исчерпывается наблюдаемое множество вихревых явлений. Мы будем пользоваться скорее интуитивным представлением, подразумевая под концентрированными вихрями такие вихревые движения, когда завихренность сосредоточена в пространственно локализованных областях с локализацией, по крайней мере, в одном измерении. Более сложные объекты - колоннообразный вихрь типа вихря Рэнкина ( постоянная завихренность в ядре конечного радиуса), телесное вихревое кольцо, вихрь Хилла, вихрь Хикса - имеют ненулевой объем области, где завихренность отлична от нуля. [42]
Хотя в литературе по гидродинамике вихревому движению и вихревым эффектам уделяется повышенное внимание, тем не менее не так много книг посвящено непосредственно вихрям и тем более - концентрированным. В предлагаемой монографии делается попытка осветить основные вопросы, связанные с их образованием и поведением. Поводом для написания книги послужили, в первую очередь, экспериментальные наблюдения авторов, связанные с впечатляющими картинами визуализации концентрированных вихрей, включая винтовые и двухспиральные, а также распад вихря. Впоследствии авторами был развит подход, основанный на идее винтовой симметрии закрученных потоков, который позволяет строить упрощенные математические модели и описывать многие вихревые явления. Основная часть книги посвящена теоретическому описанию динамики вихрей. Однако в последней главе приводятся детальные результаты экспериментальных наблюдений концентрированных вихрей, что дает пищу для размышлений и побуждает к дальнейшему развитию теории вихрей. [43]
Важную и даже определяющую роль концентрированные вихри играют и в технике. Так, в вихревом расходомере именно по частоте прецессии концентрированного вихря в закрученном потоке определяют расход жидкости. Возникновение прецессирующего вихревого жглта за рабочим колесом гидротурбины вызывает интенсивные пульсации давления, что может привести к катастрофическим последствиям. Сложные вихревые структуры обнаружены в вихревой трубке Ранка - Хилша ( см. рис. В. При обтекании треугольного крыла формирование вихревых жгутов и их распад влияют на подъемную силу и управляемость крыла. Главным механизмом интенсификации теплообмена на поверхности с лупкообразными кавернами опять же является образование протяженных концентрированных вихрей или, как говорят, смсрчеобразных структур. [44]
Страницы: 1 2 3