Von Karman vortices

ความปั่นป่วนไม่ได้มีอยู่แค่ในธรรมชาติเท่านั้น ไม่ว่าคุณจะมองอย่างไร แต่มันจำเป็นมากในหลายสถานการณ์: การผสมของเหลวต่างๆ ให้ดีขึ้น (นั่นคือเหตุผลที่เราเขย่ากาแฟและนมเพื่อผสมกัน) หรือเพื่อสร้างการถ่ายเทความร้อนระหว่างกัน ของเหลว (เราเขย่ากาแฟเพื่อให้เย็นเร็วขึ้น) เป็นต้น ในอุตุนิยมวิทยาพวกมันยังมีอยู่และถูกเรียกว่า Von Karman vortices.

ในบทความนี้ เราจะอธิบายทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับรถดัมพ์ Von Karma ลักษณะและความสำคัญของรถดัมพ์

คุณสมบัติของกระแสน้ำวน Von Karma

อันดับแรก เราต้องรู้คุณสมบัติที่กำหนดของไหลและไดนามิกของมัน ความหนาแน่น ความดัน หรืออุณหภูมิเป็นตัวแปรที่เราทุกคนรู้ไม่มากก็น้อย ขึ้นอยู่กับสิ่งเหล่านี้และผลกระทบ การเคลื่อนไหวหรือพลวัตของของไหลสามารถอธิบายได้ ไม่ว่าจะซับซ้อนเพียงใด:

ความไม่แน่นอน

ลองนึกภาพกระแสอากาศที่กระทบกับทรงกลม หากความเร็วลมต่ำ เราจะพบว่าอากาศเคลื่อนที่ "อย่างราบรื่น" ไปรอบๆ และหลังลูกบอล หลังนี้เรียกอีกอย่างว่า "ปลายน้ำ" หรือ "หาง" ของกระแสน้ำ

ในกรณีนี้เรียกว่า laminar กล่าวคือ กระแสน้ำวนหรือที่เรียกกันทั่วไปว่า turbulences ไม่ได้รับการชื่นชม ความจริงก็คือหากไม่มีความปั่นป่วน ทุกอย่างก็น่าเบื่อ อันที่จริง แม้แต่สมการของ Navier-Stokes ก็สามารถทำได้ การประยุกต์ใช้ในด้านจิตวิทยา การควบคุมฝูงชน หรือ การออกแบบระบบอพยพคนเดินถนนในสนามกีฬา ฯลฯ ทุกอย่างจะง่ายขึ้นหากไม่มีความวุ่นวาย

สมมุติว่าโมเลกุลของอากาศแต่ละโมเลกุลตามโมเลกุลอากาศอื่น เป็นต้น มีจำนวนโมเลกุลเป็นอนันต์ตามเส้นเรียบ ขอให้เราลองนึกภาพว่า ไม่ว่า "เหตุผล" ใดก็ตาม จู่ๆ ก็มีโมเลกุลที่ไม่เป็นไปตามรูปแบบไดนามิกนี้ กล่าวคือ มันออกจากวิถี "ปกติ" แม้ว่าจะไม่ค่อยบ่อยนัก ในทางเทคนิค เรียกว่า "ไม่เสถียร" ความไม่มั่นคงนี้เป็นจุดเริ่มต้นของความวุ่นวาย; นับจากนั้นเป็นต้นมา การเปลี่ยนแปลงในวิถีโคจรจะเป็นไปตามเหตุผลของกันและกัน เนื่องจากโมเลกุลหนึ่งผลักอีกโมเลกุลหนึ่งให้เปลี่ยนทิศทาง เป็นต้น “เหตุผล” ทำไมในตอนแรก

วิถีโคจรของโมเลกุลอาจมีความหลากหลายมาก: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความดัน หรือความหนาแน่นเพียงเล็กน้อย แม้แต่การเปลี่ยนแปลงที่ไม่ทราบสาเหตุที่พบบ่อยที่สุด

ขึ้นอยู่กับรูปทรงหรือโครงสร้างที่เกิดขึ้นต่อไป ความไม่แน่นอนได้รับชื่อต่อไปนี้:

• ความไม่เสถียรของเคลวิน-เฮล์มโฮลทซ์: มันสามารถเกิดขึ้นได้ในการไหลภายในของไหลที่ต่อเนื่องกัน เช่น อากาศหรือน้ำ หรือที่ส่วนต่อประสานของของเหลวสองชนิดหรือสองชั้นของของไหลเดียวกันที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกัน
• ความไม่แน่นอนของ Rayleigh-Taylor: ที่สำคัญในการ "ตก" (ยุบ) หรือการตกลงมาของอากาศเย็นจากชั้นบรรยากาศด้านบน แม้ในภาวะ "คม" ที่เพิ่มขึ้นของอากาศร้อน

ความหนืด

ความหนืดอาจเป็นที่รู้จักกันดีเพราะทุกคนเปรียบเทียบน้ำกับน้ำผึ้งหรือลาวา เช่น อนุมานว่าความหนืดคืออะไร ลองนึกภาพอีกมุมหนึ่ง: สมมติว่าเราอยู่ที่สัญญาณไฟจราจรโดยมียานพาหนะอยู่ข้างหน้าและข้างหลัง เมื่อสัญญาณไฟจราจรเปลี่ยนเป็นสีเขียว เราต้องการเวลาที่จะย้าย; จากนั้น: ความหนืดเป็นเวลาของปฏิกิริยาระหว่างตัวพาส่วนกลับแต่ละตัว (1/เวลาปฏิกิริยา); ยิ่งความหนืดสูง เวลาปฏิกิริยายิ่งสั้นลง นั่นคือของเหลวทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่พร้อมกันหรือรวมกัน

ความหนืดมักถูกมองว่าเป็นแรงเสียดทานระหว่างโมเลกุลในของเหลว ยิ่งแรงเสียดทานสูง ความหนืดก็จะยิ่งสูงขึ้น แรงนี้เป็นต้นเหตุของการมีอยู่ของชั้นขอบเขต: ยิ่งอากาศอยู่ใกล้พื้นผิวมากเท่าไร ความเร็วของมันก็ยิ่งต่ำลง (ในภาพด้านล่าง ลูกศรสั้นบ่งชี้ถึงความเร็วที่ช้าที่สุด)

ตัวอย่างเช่น นักเล่นร่มร่อนและแม้แต่นักบินเครื่องบินรู้ว่าเมื่อลมพัด (อย่างอันตราย) พวกเขาสามารถลงมาได้ เนื่องจากการ "ชะล้าง" กับต้นไม้จะลดกำลังลงอย่างมาก

ต่อด้วยตัวอย่างลูกที่เรากล่าวไปข้างต้น เช่น ถ้ากระแสลมเหนือปีกเป็นแผ่นเรียบและไม่มีขอบกั้น (ซึ่งเรารู้อยู่แล้วว่าไม่มีความหนืด) ก็ไม่มีความแตกต่างกัน แรงกดระหว่างด้านบน และส่วนล่างของปีกจึงไม่มีลิฟต์ เครื่องบินไม่สามารถบินได้ มันง่ายมาก การบินเป็นไปไม่ได้เลย แต่โชคดีที่ความเหนียวอยู่ที่นั่นเสมอ นอกจากนี้ หากไม่มีความหนืด จะไม่ทำให้เกิดความปั่นป่วนแม้จะเกิดความไม่เสถียรก็ตาม

การรวมตัวของสสารด้วยความดันต่ำ

เมื่ออนุภาค (เช่น โมเลกุลของอากาศ) อยู่ที่ความดันต่ำ อนุภาคนั้นจะดึงดูดด้วยความเร่งที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันหารด้วยความหนาแน่น เมื่อเกิดแรงดันสูง สิ่งตรงกันข้ามจะเกิดขึ้น มันจะผลักหรือผลัก

ในอุตุนิยมวิทยา บริเวณที่มีความกดอากาศสูงเรียกว่า แอนติไซโคลน ในขณะที่พายุไซโคลนหรือพายุ (พายุหมุนนอกเขตร้อนในกรณีพิเศษเท่านั้น) เรียกว่าโซนความกดอากาศต่ำ. อากาศทั้งหมดในบรรยากาศหรือน้ำทั้งหมดในมหาสมุทรของโลกเคลื่อนที่เนื่องจากความแตกต่างของความดันเหล่านี้ แรงกดดันเป็นแม่ของคุณสมบัติทั้งหมด อันที่จริง ตัวแปรอื่นๆ มากมายส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน: ความหนาแน่น อุณหภูมิ ความหนืด แรงโน้มถ่วง แรงโคริโอลิส ความเฉื่อยต่างๆ ฯลฯ อันที่จริงเมื่อโมเลกุลของอากาศเคลื่อนที่ได้ก็เพราะว่าโมเลกุลที่อยู่ข้างหน้าได้ออกจากบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำบริเวณนั้นมีแนวโน้มจะเติมขึ้นทันที

เราได้เห็นสาเหตุหรือความไม่แน่นอนที่เกิดขึ้นในสื่อต่างๆ เช่น บรรยากาศหรือมหาสมุทร ซึ่งก่อตัวเป็นรูปทรงต่างๆ ซึ่งหนึ่งในนั้น - หัวข้อของงานนี้ - คือสิ่งที่เรียกว่า Von Karman vortices ตอนนี้ เมื่อเราเข้าใจสาเหตุและตัวแปรที่รบกวนไดนามิกของของไหลแล้ว เราก็พร้อมที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับเรขาคณิตที่จำเพาะเจาะจงนี้

เมื่อกระแสลมหมุนเวียนรอบๆ ใดๆ เรขาคณิต วิวัฒนาการไปรอบๆ ทำให้เกิดความไม่เสถียรอย่างที่เราได้เห็นแล้ว ก่อให้เกิดความปั่นป่วน ความปั่นป่วนเหล่านี้มีรูปแบบและรูปแบบที่ไม่สิ้นสุดในทางปฏิบัติ ส่วนใหญ่ไม่เป็นระยะ นั่นคือไม่ซ้ำกันทันเวลา หรือช่องว่าง แต่บางคนทำ นี่คือกรณีของ Von Karman vortices ดังกล่าว

พวกมันก่อตัวขึ้นภายใต้สภาวะความเร็วอากาศที่เฉพาะเจาะจงและขนาดที่แน่นอนของวัตถุที่ทำหน้าที่เป็นสิ่งกีดขวาง

ฉันหวังว่าด้วยข้อมูลนี้ คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Von Karman vortices ลักษณะและความสำคัญในอุตุนิยมวิทยา