Открытые закрученные течения представляют собой особый класс движений жидкостей или газов, при которых частицы среды движутся по спиралевидным или вихревым траекториям в открытом пространстве, без физического ограничения стенками или каналами.
Такие течения могут наблюдаться как в естественных условиях (атмосферные вихри, водовороты, вулканические извержения), так и в технических системах (вихревые насосы, аэродинамические установки, устройства для турбулентного смешивания и т.д.). Главное отличие открытых течений – их способность к свободному распространению и само поддержке за счет внутренних сил и условий окружающей среды.
В зависимости от характера конфигурации вращения, распределения скоростей и геометрии движения среды, такие течения условно классифицируют на два основных типа:
А) Условно одномерные закрученные течения.
Этот тип вихревых потоков характеризуется тем, что основное вращательное движение среды происходит вокруг одной доминирующей оси (прямолинейной или радиальной), вдоль которой также осуществляется поступательное распространение потока. Термин «одномерные» используется здесь условно – он отражает преобладающую направленность вращения и упрощённую пространственную структуру потока.
Б) Условно многомерные закрученные течения.
В этих течениях среда участвует во вращении одновременно вокруг нескольких осей, которые могут быть параллельными, пересекающимися или даже динамически меняющими своё взаимное расположение. Характерной чертой многомерных вихревых потоков является сложная внутренняя топология движения, присутствие нескольких центров вращения и неоднородность распределения скоростей и давлений.
Условно одномерным закрученным течением называют открытое течение среды, движущейся по спирали вокруг воображаемой оси, направленной прямолинейно или радиально. Такие течения характеризуются доминирующим вращением вокруг одной оси и могут рассматриваться как упорядоченные спиральные движения.
Особенности одномерных закрученных течений:
– Спиральное или винтовое движение частиц среды вокруг оси потока;
– Относительно симметричная структура движения;
– Простая локализация центра вращения;
– Локальное давление ниже, чем в окружающей среде (из-за центробежного разрежения);
– Возможность устойчивого самостоятельного распространения вне зависимости от внешних ограничений.
Примером радиального закрученного течения служит простое вихревое кольцо. Это кольцевая форма движения жидкости или газа, при котором вещество закручивается вокруг самого себя, формируя тороидальную структуру типа «бублика». Обычно такие потоки возникают при быстром прохождении сферического или каплевидного объема вещества в относительно неподвижной среде. Различия в скоростях движения внутренних и внешних слоёв создают условия для тороидального завихрения. В физическом смысле вихревое кольцо – это автономная область вращающейся среды, перемещающаяся сквозь окружающее вещество при сохранении общей структуры.
Одномерные потоки достаточно хорошо поддаются математическому моделированию (например, уравнениями Навье–Стокса с осевой симметрией), и на их основе разрабатываются промышленные вихревые аппараты – циклоны, сепараторы, сжигатели и т.д.
В условно многомерных закрученных течениях поток вращается не просто вокруг одной оси, а вовлечён в более сложное движение – например, одновременное вращение вокруг нескольких параллельных или пересекающихся осей, которые в свою очередь могут описывать совместное движение вокруг общего центра. Такая структура напоминает многожильную канатную свивку и часто отличается высокой степенью устойчивости и сложности.
Рис. № 1. Тороидально-вихревые закрученные течения.
Особенности многомерных закрученных течений:
– Одновременное вращение вокруг нескольких осей или центра масс;
– Комбинация тангенциальной, радиальной и аксиальной составляющих скорости;
– Взаимодействие и перекрестный перенос импульса между различными частями потока;
– Большая зависимость от начальных и граничных условий, высокая чувствительность к возмущениям;
– Возможность турбулентного режима и формирования сложных структур, в том числе рекурсивных (многоуровневых).
Наиболее ярким природным примером многомерного открытого закрученного течения является торнадо. В нём одновременно присутствуют:
– Осевая циркуляция (вдоль основной вертикальной оси явления);
– Тангенциальное вращение воздушных масс;
– Радиальные и спиральные компонент движения воздуха, обладающих значительными градиентами давления и температуры.
Такие сложные многомерные вихревые структуры интересны как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, например, для создания новых типов энергоэффективных устройств, средств фильтрации, ускорителей химических реакций и т.п.
По мере дальнейшего изложения будут рассмотрены методы искусственного формирования вихревых потоков, условия их устойчивости, а также оценка возможных применений в различных технических и исследовательских направлениях.