Эдди (гидродинамика) - Eddy (fluid dynamics)

А вихревая улица вокруг цилиндра. Это может происходить вокруг цилиндров и сфер для любой жидкости, размера цилиндра и скорости жидкости при условии, что поток имеет Число Рейнольдса в диапазоне от ~ 40 до ~ 1000.^[1]

В динамика жидкостей, Эдди это кружение жидкость и наоборот текущий создается, когда жидкость находится в турбулентном режиме потока.^[2] 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 закономерно наблюдается за крупными надводными породами в быстротекущих реках.

Вихри и водовороты в технике

Склонность жидкости к Водоворот используется для улучшения смешивания топлива и воздуха в двигателях внутреннего сгорания.

В механика жидкости и явления переноса, вихрь - это не свойство жидкости, а сильное вихревое движение, вызванное положением и направлением турбулентного потока.^[3]

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)

Число Рейнольдса и турбулентность

Эксперимент Рейнольдса (1883 г.). Осборн Рейнольдс стоит у своего аппарата.

В 1883 г. ученый Осборн Рейнольдс провел эксперимент по гидродинамике с участием воды и красителя, где он отрегулировал скорости жидкостей и наблюдал переход от ламинарного к турбулентному течению, характеризующемуся образованием вихрей и вихрей.^[4] Турбулентный поток определяется как поток, в котором силы инерции системы преобладают над силами вязкости. Это явление описывается Число Рейнольдса, безразмерное число, используемое для определения момента возникновения турбулентного потока. По сути, число Рейнольдса - это соотношение сил инерции и сил вязкости.^[5]

Шлирен фотография показывает факел термоконвекции, поднимающийся от обычной свечи в неподвижном воздухе. Шлейф изначально ламинарный, но переход к турбулентности происходит в верхней 1/3 изображения. Изображение было сделано с помощью шлирен-зеркала диаметром один метр Гэри Сеттлса.

Общий вид числа Рейнольдса, протекающего через трубку радиуса r (или диаметра d):

${displaystyle mathrm {Re} ={2vho r over mu }={ho vd over mu }}$

где v это скорость жидкости, ρ это его плотность, р - радиус трубки, а μ это вязкость жидкости. к турбулентному потоку в жидкости определяется критическим числом Рейнольдса, для закрытой трубы это составляет приблизительно

${displaystyle mathrm {Re} _{ ext{c}}approx 2000.}$

В терминах критического числа Рейнольдса критическая скорость представляется как

${displaystyle v_{ ext{c}}={frac {mathrm {Re} _{ ext{c}}mu }{ho d}}.}$

Исследования и разработки

Вычислительная гидродинамика

Это модели турбулентности, в которых напряжения Рейнольдса, полученные из усреднения по Рейнольдсу Уравнения Навье – Стокса, моделируются линейной определяющей зависимостью со средним полем деформации потока, как:

${displaystyle -ho langle u_{i}u_{j}angle =2mu _{t}S_{i,j}-{2 over 3}ho kappa delta _{i,j}}$

где

• ${displaystyle mu _{t}}$ коэффициент, называемый турбулентной вязкостью (также называемой вихревой вязкостью)
• ${displaystyle kappa ={ frac {1}{2}}(langle u_{1}u_{1}angle +langle u_{2}u_{2}angle +langle u_{3}u_{3}angle )}$ средняя турбулентная кинетическая энергия
• ${displaystyle S_{i,j}}$ это значить скорость деформации

Обратите внимание, что включение ${displaystyle { frac {2}{3}}ho kappa delta _{i,j}}$ в линейном определяющем соотношении требуется для целей тензорной алгебры при решении для моделей турбулентности с двумя уравнениями (или любой другой модели турбулентности, которая решает уравнение переноса для${displaystyle kappa }$ .^[6]

Гемодинамика

Гемодинамика исследование кровотока в системе кровообращения. Кровоток в прямых участках артериального дерева обычно ламинарный (высокое направленное напряжение стенки), но ветви и изгибы в системе вызывают турбулентный поток.^[2] 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.

Промышленные процессы

Подъемные и тяговые свойства мячей для гольфа настраиваются путем манипулирования ямочками на поверхности мяча, что позволяет мячу двигаться дальше и быстрее в воздухе.^[7][8] 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.^[9]

Течения жидкости и контроль загрязнения

Океанические и атмосферные течения переносят частицы, мусор и организмы по всему миру. В то время как транспорт организмов, таких как фитопланктон, необходимы для сохранения экосистем, нефть и другие загрязняющие вещества также смешиваются с текущим потоком и могут переносить загрязнение далеко от источника.^[10][11] Вихревые образования распространяют мусор и другие загрязнители в концентрированные области, которые исследователи отслеживают для улучшения очистки и предотвращения загрязнения. Распространение и движение пластмасс, вызванные вихревыми образованиями в естественных водоемах, можно предсказать с помощью лагранжевых моделей переноса.^[12] Мезомасштабные океанические водовороты играют решающую роль в переносе тепла к полюсу, а также в поддержании градиентов тепла на разных глубинах.^[13]

Экологические потоки

Моделирование развития вихрей, поскольку оно связано с явлениями турбулентности и судьбоносного переноса, имеет жизненно важное значение 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 гарантирует образование динамических водоворотов, которые распределяют питательные вещества из-под пограничного слоя с образованием плюмов.^[14] 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.^[15]

Мезомасштабные океанские водовороты

С подветренной стороны препятствий, в этом случае Мадейра и Канарские острова у западного африканского побережья водовороты создают неспокойные узоры, называемые вихревыми улицами.

Вихри обычны 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.^[16]

Мезомасштабные водовороты 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 (во многом 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 океанские водовороты характеризуются течениями, которые текут примерно по кругу вокруг центра водоворота. Направление вращения этих течений может быть циклоническим или антициклоническим (например, Хайда Эдди ). 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 характеристиками 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.

Смотрите также

• Вихревая диффузия
• Хайда Эдди
• Число Рейнольдса - безразмерная константа, используемая для прогнозирования начала турбулентного потока
• Рейнольдс эксперимент
• Карман вихревая улица
• Водоворот
• Вихрь
• Речные водовороты в Уайтуотере
• Турбулентность следа
• Вычислительная гидродинамика
• Ламинарный поток
• Гемодинамика
• Модоны, или дипольные вихревые пары.

использованная литература

1. Тэнсли, Клэр Э .; Маршалл, Дэвид П. (2001). «Обтекание цилиндра на плоскости с приложением к разделению Гольфстрима и антарктическому циркумполярному течению» (PDF). Журнал физической океанографии. 31 (11): 3274–3283. Bibcode:2001JPO .... 31.3274T. Дои:10.1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-04-01.
2. Чиу, Дженг-Цзянь; Цзянь, Шу (01.01.2011). «Влияние нарушенного кровотока на эндотелий сосудов: патофизиологические основы и клинические перспективы». Физиологические обзоры. 91 (1): 327–387. Дои:10.1152 / Physrev.00047.2009. ISSN  0031-9333. ЧВК  3844671. PMID  21248169.
3. Лайтфут, Р. Байрон Берд; Уоррен Э. Стюарт; Эдвин Н. (2002). Транспортные явления (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк [u.a.]: Wiley. ISBN  0-471-41077-2.
4. Камбе, Цутому (2007). Элементарная механика жидкости. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., стр.240. ISBN  978-981-256-416-0.
5. "Давление". hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Получено 2017-02-12.
6. «Модели линейной вихревой вязкости - CFD-Wiki, бесплатный справочник по CFD». www.cfd-online.com. Получено 2017-02-12.
7. Арнольд, Дуглас. «Полет мяча для гольфа» (PDF).
8. "Почему мячи для гольфа покрыты ямочками?". math.ucr.edu. Получено 2017-02-12.
9. Димотакис, Пол. «Перемешивающий переход в турбулентных потоках» (PDF). Калифорнийский технологический институт, информационные технологии.
10. «Океанские течения вытесняют фитопланктон и загрязнение по всему миру быстрее, чем предполагалось». Science Daily. 16 апреля 2016 г.. Получено 2017-02-12.
11. «Загрязнение океана». Национальное управление океанических и атмосферных исследований.
12. Ежедневно, Джульетта; Хоффман, Мэтью Дж. (01.05.2020). «Моделирование трехмерного переноса и распределения нескольких типов микропластичных полимеров в озере Эри». Бюллетень загрязнения морской среды. 154: 111024. Дои:10.1016 / j.marpolbul.2020.111024. ISSN  0025-326X. PMID  32319887.
13. «Мезомасштабные водовороты океана - Лаборатория геофизической гидродинамики». www.gfdl.noaa.gov. Получено 2017-02-12.
14. Чен, Чжаоюнь; Цзян, Юйу; Ван, Цзя; Гун, Вэньпин (23.07.2019). «Влияние речного шлейфа на динамику прибрежного апвеллинга: важность стратификации». Журнал физической океанографии. 49 (9): 2345–2363. Дои:10.1175 / JPO-D-18-0215.1. ISSN  0022-3670.
15. Роман, Ф .; Stipcich, G .; Арменио, В .; Inghilesi, R .; Корсини, С. (01.06.2010). «Моделирование больших вихрей перемешивания в прибрежных районах». Международный журнал тепла и потока жидкости. Шестой международный симпозиум по явлениям турбулентности и сдвиговых потоков. 31 (3): 327–341. Дои:10.1016 / j.ijheatfluidflow.2010.02.006. ISSN  0142-727X.
16. Тэнсли, Клэр Э .; Маршалл, Дэвид П. (2001). «Обтекание цилиндра на β-плоскости с применением к разделению Гольфстрима и антарктическому циркумполярному течению». Журнал физической океанографии. 31 (11): 3274–3283. Bibcode:2001JPO .... 31.3274T. Дои:10.1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2. ISSN  1520-0485. S2CID  130455873.