Меню сайта

Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Проблемы гидромеханники

Вихри

В этой главе изложены некоторые результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с образованием, структурой и движением кольцевых вихрей.

Несмотря на большое число работ, посвященных этой проблеме, многие важные и интересные вопросы, к ней относящиеся, до последнего времени оставались без ответа. Исследования, проведенные за последнее десятилетие, улучшили положение. Были поставлены многочисленные опыты, на основе которых создана математическая модель, позволяющая определить закон движения, структуру кольцевых вихрей, количество примеси, которое они могут переносить, и другие характеристики. Полученные результаты дают хорошее совпадение с опытом.

Более трудным для исследования оказался механизм образования кольцевых вихрей. Здесь получены некоторые экспериментальные результаты, дающие основу для качественного понимания явления, однако задача его полного математического описания еще не решена.

Кольцевые вихри

Если обычному воздушному шарику в резиновой оболочке сообщить скорость 5—10 м/сек, то он проходит расстояние 1,5—2 м. С другой стороны, давно известно, что если с той же скоростью кинуть (например, вытолкнуть поршнем из трубки) такую же массу воздуха без оболочки, то она пройдет расстояние, в 10—15 раз большее.

Опыт показывает, что во втором случае движение происходит так, как показано на рис. 121, где изображены линии тока для движения относительно системы координат, движущейся вместе с вытолкнутой массой воздуха. Движение обладает осевой симметрией; внутри выпуклой области, образованной вращением участка ABC линии тока, оно вихревое, а вне этой области — практически потенциальное. На ABC скорости внутреннего и внешнего движений совпадают, так что поле скоростей оказывается непрерывным. Это и объясняет эффект, с которого мы начали, — из-за непрерывности трение на границе движущейся без оболочки массы меньше, чем массы в оболочке, следовательно, меньше сопротивление и больше проходимое массой расстояние.

Аналогичное движение можно наблюдать и в воде. Оно известно уже давно и называется кольцевым вихрем. В конце прошлого века такая схема движения привлекала внимание в связи с попытками создания вихревой модели атомов (У. Томсон-Кельвин, Дж. Дж. Томсон). Эти попытки успеха не имели, но они послужили поводом для интересных исследований, с которыми можно ознакомиться по книге Л а м б а [4].

Интерес к проблеме сильно возрос после появления атомных бомб, при взрыве которых образуется характерное грибовидное облако, структура которого аналогична структуре кольцевого вихря, изображенного на фото рис. 122. Такое облако с большой скоростью поднимается на высоту нескольких километров. Аналогичное явление наблюдается и при взрыве больших зарядов обычных ВВ.

В последнее время исследуются возможности практического применения кольцевых вихрей для удаления дыма, вредных газов и т. п. на промышленных предприятиях. В связи с этим возникает много вопросов, ответы на которые нельзя получить без учета вязкости, диссипации энергии, турбулентного характера движения и т. д. Однако прежде чем переходить к описанию математической модели, учитывающей эти факторы, мы должны напомнить некоторые результаты, полученные в схеме идеальной несжимаемой жидкости.