Turbulence ir sastopama ne tikai dabā, lai kā uz to skatītos, bet tā ir ļoti nepieciešama daudzās situācijās: lai labāk sajauktu dažādus šķidrumus (tāpēc mēs sakratām kafiju un pienu, lai tie sajauktos), vai lai radītu lielāku siltuma pārnesi starp. šķidrumi (kafiju arī kratam, lai ātrāk atdziest) utt. Meteoroloģijā tie arī pastāv un tiek saukti Fon Karmans virpuļo.
Šajā rakstā mēs izskaidrosim visu, kas jums jāzina par Von Karma pašizgāzējiem, to īpašībām un nozīmi.
Von Karma virpuļa īpašības
Vispirms mums ir jāzina īpašības, kas nosaka šķidrumu un tā dinamiku. Blīvums, spiediens vai temperatūra ir mainīgie lielumi, kurus mēs visi vairāk vai mazāk zinām. Balstoties uz tiem un to ietekmi, var izskaidrot jebkuru šķidruma kustību vai dinamiku, lai cik sarežģīta tā būtu:
Nestabilitāte
Iedomājieties, ka gaisa straume ietriecas sfērā; ja gaisa ātrums ir mazs, mēs atklājam, ka gaiss pārvietojas "vienmērīgi" ap bumbu un aiz tās; šo aizmuguri sauc arī par ūdens plūsmas "lejup straumi" vai "asti".
Šajā gadījumā plūsmu sauc par lamināru, proti: virpuļi vai vispārēji sauktas turbulences netiek novērtētas, patiesība ir tāda, ka bez turbulences viss būtu garlaicīgi, patiesībā pat Navjē-Stoksa vienādojumi var būt Pielietojumi psiholoģijā, pūļa kontrole vai gājēju evakuācijas sistēmu projektēšana stadionos utt., viss ir vieglāk, ja nav turbulences.
Tagad pieņemsim, ka katra gaisa molekula seko citai gaisa molekulai un tā tālāk; pa gludu līniju ir bezgalīgs skaits molekulu. Iedomāsimies, ka kāda "iemesla dēļ" pēkšņi rodas molekula, kas neseko šim dinamiskajam modelim, tas ir, tā atstāj "parasto" trajektoriju, kaut arī ļoti reti; tehniski runājot, tas notiek "nestabīli". Šī nestabilitāte ir turbulences sākums; No šī brīža trajektoriju izmaiņas loģiski seko viena otrai, jo viena molekula spiež otru mainīt virzienu utt. "iemesls", kāpēc, pirmkārt.
Molekulārās trajektorijas var būt ļoti, ļoti dažādas: ļoti smalkas temperatūras, spiediena vai blīvuma izmaiņas, pat visbiežāk sastopamās nezināmas izcelsmes
Atkarībā no ģeometrijas vai struktūras, kas veidojas tālāk, nestabilitāte saņem šādus nosaukumus:
- Kelvina-Helmholca nestabilitāte: Tas var notikt plūsmā nepārtrauktā šķidrumā, piemēram, gaisā vai ūdenī, vai divu šķidrumu vai divu viena un tā paša šķidruma slāņu saskarnē, kas pārvietojas ar atšķirīgu ātrumu.
- Rayleigh-Taylor nestabilitāte: Svarīgi aukstā gaisa "krišanas" (sabrukšanas) vai nolaišanās gadījumā no augšējiem atmosfēras slāņiem. Pat "asā" karstā gaisa kāpumā.
Viskozitāte
Viskozitāte, iespējams, ir labi zināma, jo ikviens salīdzina ūdeni ar medu vai lavu, piemēram, secinot, kas ir viskozitāte. Iedomāsimies no cita leņķa: Pieņemsim, ka esam pie luksofora ar transportlīdzekļiem priekšā un aizmugurē; kad luksofora gaisma iedegas zaļā krāsā, mums ir vajadzīgs laiks, lai pārvietotos; tad: viskozitāte ir reakcijas laiks starp katru abpusējo nesēju (1/reakcijas laiks); jo augstāka viskozitāte, jo īsāks reakcijas laiks; tas ir, visi šķidrumi mēdz kustēties unisonā vai kopā.
Viskozitāti bieži uzskata par berzes spēku starp šķidruma molekulām. Jo lielāka berze, jo augstāka viskozitāte. Cita starpā šis spēks ir robežslāņa pastāvēšanas iemesls: jo tuvāk gaiss atrodas virsmai, jo mazāks ir tā ātrums (attēlā zemāk īsā bultiņa norāda uz lēnāko ātrumu).
Piemēram, paraplāni un pat lidmašīnu piloti zina, ka, pūšot (bīstami) spēcīgam vējam, viņi var nolaisties, jo atrašanās “līdzenumā” ar kokiem ievērojami samazina viņu spēku.
Turpinot iepriekš minēto lodītes piemēru, piemēram, ja gaisa plūsma pāri spārnam ir pilnīgi lamināra un nav robežslāņa (ko mēs jau zinām, tas ir tas pats, kas teikt, ka nav viskozitātes), nav nekādas atšķirības. spiediens starp augšējo daļu un spārna apakšā, tāpēc nav lifta; lidmašīna nevar lidot; tas ir tik vienkārši. Lidot ir pilnīgi neiespējami, bet par laimi lipīgums vienmēr ir. Turklāt bez viskozitātes tie neradītu turbulenci, neskatoties uz nestabilitāti.
Vielu agregācija zemā spiedienā
Kad daļiņa (piemēram, gaisa molekula) atrodas zemā spiedienā, tā to piesaista ar paātrinājumu, ko rada spiediena izmaiņas, kas dalītas ar blīvumu. Ar augstu spiedienu notiek otrādi, tas atgrūž vai spiež.
Meteoroloģijā augsta spiediena apgabalus sauc par anticikloniem, savukārt par cikloniem vai vētrām (ekstratropiskie cikloni tikai īpašos gadījumos) Tās sauc par zema spiediena zonām.. Viss gaiss atmosfērā vai viss ūdens Zemes okeānos pārvietojas šo spiediena atšķirību dēļ. Spiediens ir visu īpašību māte; patiesībā spiediena izmaiņas ietekmē daudzi citi mainīgie: blīvums, temperatūra, viskozitāte, gravitācija, Koriolisa spēki, dažādas inerces utt.; patiesībā, kad gaisa molekula pārvietojas, tā to dara, jo molekula, kas atrodas pirms tās, ir atstājusi zema spiediena apgabalu, apgabalam ir tendence nekavējoties piepildīties.
Mēs esam redzējuši cēloņus vai nestabilitāti, kas rodas tādos medijos kā atmosfēra vai okeāns, veidojot noteiktas ģeometrijas, viena no tām - šī darba priekšmets - ir tā sauktie fon Karmana virpuļi. Tagad, kad esam sapratuši cēloņus un mainīgos lielumus, kas traucē jebkura šķidruma dinamikai, mēs esam gatavi uzzināt par šo ļoti specifisko ģeometriju.
Kad gaisa plūsma cirkulē ap jebkuru ģeometrija, attīstās ap to, izraisot nestabilitāti, kā mēs jau redzējām, veidojot turbulenci; šīm turbulencēm ir praktiski bezgalīgi daudz veidu un formu; vairums no tiem nav periodiski; tas ir, tie neatkārtojas laikā. vai telpa, bet daži to dara. Šis ir iepriekšminēto fon Karmana virpuļu gadījums.
Tie veidojas ļoti specifiskos gaisa ātruma apstākļos un noteiktiem objekta izmēriem, kas darbojas kā šķērslis.
Es ceru, ka ar šo informāciju jūs varat uzzināt vairāk par fon Karmana virpuļiem, to īpašībām un nozīmi meteoroloģijā.