Вихревое течение

ВИХРЕВОЕ ТЕЧЕНИЕ, течение жидкости или газа, при котором их малые элементы (частицы) перемещаются не только поступательно, но и вращаются вокруг мгновенной оси.

Подавляющее большинство течений в природе или технике представляют собой вихревое течение. Например, вихревое течение имеет место при движении воды в трубе как в случае ламинарного течения, так и в случае турбулентного течения. Вращение частиц здесь обусловлено прилипанием воды к стенке трубы, где скорость воды равна нулю. При удалении от стенки скорость быстро возрастает, так что скорости соседних слоёв значительно отличаются друг от друга. В результате тормозящего действия одного слоя и ускоряющего действия другого (рисунок 1) возникает вращение частиц, то есть вихревое течение.

Количественно вихревое течение можно охарактеризовать вектором вихря, или завихрённостью, ω = rot v (где v - скорость жидкости или газа), которая определяется пространственным распределением вектора скорости v. Если ω = 0 в некоторой области, то такое течение называется безвихревым. Линия, касательная к которой в каждой точке направлена по вектору ω, называется вихревой линией. Совокупность вихревых линий, проходящих через замкнутую кривую, образует вихревую трубку. Вихревая трубка не может иметь внутри жидкости ни начала, ни конца: она может быть замкнутой (вихревое кольцо) или должна иметь начало и конец на границах жидкости. Примеры вихревого течения: в атмосфере - циклоны, антициклоны, смерчи; в океане - синоптические вихри, имеющие диаметры до нескольких сотен километров и глубину до нескольких километров; в реках - водовороты и мелкомасштабные вихри, образующиеся при обтекании ям, препятствий и тому подобное.

Во всякой вязкой жидкости действуют силы трения, в результате которых вихри меняют свою интенсивность - постепенно затухают. Так как вода и особенно воздух имеют малую вязкость, то в них вихри могут сохраняться продолжительное время; например, антициклоны и циклоны в атмосфере - на протяжении месяцев, синоптические вихри в океане - до нескольких лет. В среде, лишённой вязкости (идеальная жидкость), вихри не могли бы самопроизвольно появиться, а будучи созданы, не могли бы затухать. В средах с малой вязкостью (вода, воздух) вихревое течение возникает в тех областях, где вязкость проявляется сильнее всего: в слое вблизи обтекаемого тела, пограничном слое. За обтекаемым жидкостью телом формируется след, содержащий течения, волны и вихри, часто формирующие вихревые дорожки (рисунок 2). Вихри, возникающие при движении тела в среде, определяют значительную часть подъёмной силы и силы лобового сопротивления, действующих на него. Вихревое течение учитывается при расчёте и конструировании самолётов, надводных и подводных судов, морских сооружений, винтов, лопаток турбин и тому подобное. Изучение вихревого течения важно для анализа динамики и процессов переноса энергии, вещества, в частности, загрязнений, в атмосфере и гидросфере.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. 3-е изд. М., 1986; Аэрогидромеханика. М., 1993.