ВИХРЕВОЕ ДВИЖЕНИЕ

ВИХРЕВОЕ ДВИЖЕНИЕ, движение жидкости или газа, при к-ром их малые элементы (частицы) перемещаются не только поступательно, но и вращаются около нск-рой мгновенной оси.

Подавляющее большинство течений жидкости и газа, к-рые происходят в природе или осуществляются в технике, представляет собой В. д. Напр., движение воды в трубе всегда является В. д. как в случае ламинарного течения, так и в случае турбулентного течения. Вращение элементарных объёмов обусловлено здесь тем, что на поверхности стенки из-за прилипания жидкости скорость её равна нулю, а при удалении от стенок быстро возрастает, так что скорости соседних слоев значительно отличаются друг от друга. В результате тормозящего действия нижнего слоя и ускоряющего действия верхнего (рис. 1) возникает вращение частиц, т. е. .имеет место В. д. Примерами В. д. являются: вихри воздуха в атмосфере, к-рые часто принимают огромные размеры и образуют смерчи и циклоны; водяные вихри, к-рые образуются сзади устоев моста; воронки в воде секи и т. л.

Рис. 1. Распределение скорости v по сечению трубы; элементарные объёмы вращаются, как показано стрелками.

Количественно В. д. можно охарактеризовать вектором со угловой скорости вращения частиц, к-рый зависит от координат точки в потоке и от времени. Вектор со наз. вихрем среды в данной точке; если со = 0 в нек-рой области течения, то в этой области течение безвихревое. Вращающиеся частицы среды могут образовывать вихревые трубки (рис. 2) или отдельные слои. Вихревая трубка не может иметь внутри жидкости ни начала, ни конца; она или может быть замкнутой (вихревое кольцо), или должна иметь начало и конец на границах жидкости (напр., на поверхности обтекаемого тела; на поверхности сосуда, внутри к-рого заключена жидкость; на поверхности земли - в случае смерчей, на поверхности воды или на дне реки - в случае вихрей в текущей воде и т. п.).

Рис. 2. Вихревые трубки.

Рис. 3. Скорости, сообщаемые друг другу двумя плоскими вихрями.

Присутствие в жидкости вихрей вызывает появление в ней добавочных скоростей. При наличии в жидкости системы вихрей они влияют на движение друг друга. Так, напр., 2 вихря (рис. 3) равной по величине и противоположной по знаку интенсивности Г сообщают друг другу равные по величине и одинаково направленные скорости v, т. е. движутся поступательно; 2 вихря, имеющие одинаковые по абс. величине и знаку интенсивности, вращаются вокруг оси, проходящей через середину расстояний между ними.

Рис. 4. Взаимодействие вихревых колец.

Если 2 вихревых кольца имеют общую ось (рис. 4) и одинаковое направление вращения, то переднее кольцо вследствие скоростей, сообщаемых задним, увеличивается в диаметре и замедляется; заднее при этом уменьшается в диаметре, проходит сквозь переднее, т. е. они меняются местами, и весь процесс начинается сначала ("игра" вихревых колец). Во всякой вязкой жидкости действуют силы трения, в результате к-рых вихри меняют свою интенсивность - постепенно затухают. Т. к. вода и особенно воздух имеют малую вязкость, то в них вихри могут сохраняться довольно долгое время; налр., смерчи иногда перемещаются на большие расстояния. В среде, лишённой вязкости (идеальная жидкость), вихри не могли бы ни появляться вновь, ни затухать. В средах с малой вязкостью (вода, воздух) В. д. возникает в тех частях течения, где сила вязкости всего сильнее проявляется,- в слое вблизи поверхности обтекаемого тела, в т. н. пограничном слое, заполненном сильно завихрённой средой. Вихри пограничного слоя сбегают с поверхности обтекаемого тела и создают за этим телом след в форме тех или иных образований (вихревых слоев или вихревых дорожек). Вихри, возникающие при движении тела в среде, определяют значит, часть подъёмной силы и силы лобового сопротивления, действующих на него. Поэтому изучение В. д. имеет большое значение для расчёта и конструирования крыльев самолётов, воздушных винтов, лопаток турбин и т. д.

Лит.: Прандтль Л., Гидроаэромеханика, пер. с нем., 2 изд., М., 1951; Фабрикант Н. Я., Аэродинамика, М., 1964,