Вихревая динамика жидкостей и газов – одно из наиболее сложных и, в то же время, фундаментальных направлений современной прикладной физики, механики и инженерной науки. Изучение структурированных закрученных потоков – от простейших спиральных струй до сложных тороидальных, самоподдерживающихся многомерных вихревых образований – представляет не только теоретический интерес, но и даёт огромный потенциал для практического применения в самых разных областях техники, энергетики, промышленности и естественных наук.
Тема искусственного управления закрученными потоками в последние десятилетия особенно актуализировалась в свете задач, связанных с энергосбережением, эффективным теплообменом, турбулентным и ламинарным смешиванием, плазменными технологиями, микрофлюидикой, а также развитием новых нетрадиционных средств движения (в том числе и безлопастных) и направленного импульсного воздействия на среду.
Одним из ключевых средств управления движением газов и жидкостей в открытых и полузамкнутых потоках является завихритель – относительно простое по форме, но сложное по воздействию устройство, предназначенное для передачи закрученного движения потоку среды.
Несмотря на кажущуюся простоту, при правильной геометрии и соблюдении оптимальных параметров, завихритель способен инициировать устойчивые вихревые образования, которые могут само организовываться, сохранять форму на значительных расстояниях и интенсивно обмениваться энергией с окружающей средой.
Предложены новые типы закручивающих устройств.
Опираясь на собственные экспериментальные наблюдения, автор последовательно рассматривает:
– Геометрию и кинематику новых закрученных структур;
– Особенности возбуждения вихрей в различных направлениях – вертикально, радиально, аксиально;
– Использование импульсного и непрерывного режимов для генерации вихревых структур;
– Средства визуализации и диагностики сформированных вихревых полей;
– Аналогии с природными вихревыми явлениями – смерчами, торнадо, океаническими вихрями, атмосферными куполами.
1. Типы открытых (свободно распространяющихся) закрученных течений
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.
1.1. Условно одномерные закрученные течения
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.
