Турбулентність не тільки присутня в природі, як би ви на неї не поглянули, але вона дуже потрібна в багатьох ситуаціях: для кращого змішування різних рідин (тому ми струшуємо каву і молоко, щоб змішувати їх), або для створення більшої передачі тепла між рідини (каву також струшуємо, щоб вона швидше охолола) тощо. У метеорології вони також існують і називаються Вихори фон Кармана.
У цій статті ми збираємося пояснити все, що вам потрібно знати про самоскиди Von Karma, їх характеристики та важливість.
Властивості вихрів фон Карми
Для початку ми повинні знати властивості, які визначають рідину та її динаміку. Щільність, тиск або температура - це змінні величини, які ми всі більш-менш знаємо. Виходячи з них та їх ефектів можна пояснити будь-який рух або динаміку рідини, як би складною вона не була:
Нестабільність
Уявіть собі потік повітря, що б'ється на кулю; якщо швидкість повітря низька, ми виявляємо, що повітря рухається «плавно» навколо та позаду м’яча; цю спину також називають «нижньою течією» або «хвостом» потоку води.
У цьому випадку потік називається ламінарним, тобто вихри або взагалі звані турбулентності не цінуються, правда полягає в тому, що без турбулентності все було б нудно, насправді навіть рівняння Нав’є-Стокса можуть застосовуватися в психології, контролі натовпу або проектування систем евакуації пішоходів на стадіонах тощо, все простіше, якщо немає турбулентності.
Тепер припустимо, що кожна молекула повітря слідує за іншою молекулою повітря і так далі; уздовж плавної лінії існує нескінченна кількість молекул. Уявімо, що з будь-якої «причини» раптом з'являється молекула, яка не дотримується цієї динамічної схеми, тобто покидає «нормальну» траєкторію, хоча й дуже рідко; технічно кажучи, це відбувається «нестабільно». Ця нестабільність є початком турбулентності; З цього моменту зміни траєкторій слідують одна за одною логічно, оскільки одна молекула штовхає іншу на зміну напрямку тощо. "причина", чому в першу чергу.
Молекулярні траєкторії можуть бути дуже, дуже різноманітними: дуже тонкі зміни температури, тиску або щільності, навіть найпоширеніші з невідомого походження
Залежно від геометрії або структури, що формується далі, нестабільність отримує такі назви:
- Нестабільність Кельвіна-Гельмгольца: Це може відбуватися в потоці всередині безперервної рідини, наприклад повітря або води, або на межі розділу двох рідин або двох шарів однієї рідини, що рухаються з різною швидкістю.
- Нестабільність Релея-Тейлора: Важливе значення має «падіння» (колапс) або спуск холодного повітря з верхніх шарів атмосфери. Навіть при «різкому» підйомі гарячого повітря.
В'язкість
В’язкість, напевно, добре відома, тому що кожен порівнює воду з медом або лавою, наприклад, щоб зробити висновок, що таке в’язкість. Уявімо з іншого боку: припустимо, що ми стоїмо на світлофорі з транспортними засобами попереду і позаду; коли світлофор загориться зеленим, нам потрібен час, щоб рухатися; тоді: в'язкість - це час реакції між кожним взаємним носієм (1/час реакції); чим вище в'язкість, тим менший час реакції; тобто всі рідини мають тенденцію рухатися в унісон або разом.
В’язкість часто розглядають як силу тертя між молекулами рідини. Чим вище тертя, тим вище в’язкість. Крім усього іншого, ця сила є причиною існування прикордонного шару: чим ближче повітря до поверхні, тим нижча його швидкість (на зображенні нижче коротка стрілка вказує на найнижчу швидкість).
Наприклад, парапланери і навіть пілоти літаків знають, що коли дме (небезпечно) сильний вітер, вони можуть опускатися, тому що «врівень» з деревами значно зменшує їх силу.
Продовжуючи приклад з кулькою, який ми згадували раніше, наприклад, якщо повітряний потік над крилом повністю ламінарний і немає прикордонного шару (що ми вже знаємо, це те саме, що сказати про відсутність в’язкості), немає різниці. тиск між верхнім шаром і нижня частина крила, тому немає підйому; літак не може літати; це так легко. Літати абсолютно неможливо, але, на щастя, липкість завжди є. Крім того, без в'язкості вони не викликали б турбулентності, незважаючи на нестабільність.
Агрегація речовини низьким тиском
Коли частинка (наприклад, молекула повітря) знаходиться під низьким тиском, вона притягує її з прискоренням, яке визначається зміною тиску, поділеної на густину. При високому тиску відбувається навпаки, він відштовхує або штовхає.
У метеорології, області високого тиску називають антициклонами, а циклони або шторми (екстратропічні циклони лише в особливих випадках) Їх називають зонами низького тиску.. Усе повітря в атмосфері або вся вода в океанах Землі рухається через ці перепади тиску. Тиск є матір'ю всіх властивостей; насправді багато інших змінних впливають на зміни тиску: густина, температура, в'язкість, сила тяжіння, сили Коріоліса, різні інерції тощо; насправді, коли молекула повітря рухається, вона робить це, тому що молекула, що передує їй, вийшла з області низького тиску, область має тенденцію негайно заповнити
Ми бачили причини або нестабільності, які виникають у таких середовищах, як атмосфера або океан, утворюючи певні геометрії, однією з них - предметом цієї роботи - є так звані вихори фон Кармана. Тепер, коли ми зрозуміємо причини та змінні параметри, які заважають всій динаміці будь-якої рідини, ми готові дізнатися про цю дуже специфічну геометрію.
Коли повітряний потік циркулює навколо будь-якого геометрія, розвивається навколо неї, що призводить до нестабільності, як ми вже бачили, утворюючи турбулентність; ці турбулентності мають практично нескінченні види і форми; більшість з них не є періодичними; тобто вони не повторюються в часі. або простір, але деякі роблять. Це випадок вищезгаданих вихрів фон Кармана.
Вони утворюються за дуже специфічних умов повітряної швидкості та певних розмірів об'єкта, який виступає як перешкода.
Сподіваюся, що за допомогою цієї інформації ви зможете дізнатися більше про вихори фон Кармана, їх характеристики та значення в метеорології.