馮卡門漩渦

馮卡門漩渦

湍流不僅存在於自然界中,不管你怎麼看,它在許多情況下都是非常必要的:更好地混合不同的流體(這就是我們搖動咖啡和牛奶來混合它們的原因),或者在它們之間產生更大的熱傳遞液體(我們還搖晃咖啡以使其更快冷卻)等。 在氣象學中它們也存在並被稱為 馮卡門漩渦.

在本文中,我們將解釋您需要了解的有關 Von Karma 自卸卡車的所有信息、它們的特性和重要性。

Von Karma 渦旋特性

一排排漩渦

首先,我們必須知道定義流體及其動力學的屬性。 密度、壓力或溫度是我們或多或少都知道的變量。 基於它們及其影響,可以解釋流體的任何運動或動力學,無論它可能多麼複雜:

不穩定性

氣象學中的馮卡門渦旋

想像一股氣流撞擊球體; 如果空氣速度低,我們會發現空氣在球周圍和後面“平穩”移動; 這個背部也被稱為水流的“下游”或“尾部”。

在這種情況下,流動被稱為層流,也就是說:渦流或通常稱為湍流不被欣賞,事實是,沒有湍流一切都會很無聊,事實上,即使是 Navier-Stokes 方程也可以應用在心理學、人群控製或體育場等行人疏散系統的設計,如果沒有湍流,一切都會變得更容易。

現在假設每個空氣分子都跟隨另一個空氣分子,依此類推; 沿著一條平滑線有無數個分子。 讓我們想像一下,無論出於何種“原因”,突然有一個分子不遵循這種動態模式,也就是說,它離開了“正常”軌跡,儘管很少見; 從技術上講,據說發生“不穩定”。 這種不穩定是動蕩的開始; 從那一刻起,軌蹟的變化在邏輯上相互跟隨,因為一個分子推動另一個分子改變方向,依此類推。 “原因”首先是為什麼。

分子軌跡可以非常非常多樣化:溫度、壓力或密度的非常細微的變化,甚至是最常見的來源不明的變化

根據接下來形成的幾何或結構,不穩定性有以下名稱:

  • 開爾文-亥姆霍茲不穩定性: 它可以發生在空氣或水等連續流體的流動中,也可以發生在兩種流體或以不同速度運動的兩層相同流體的界面處。
  • 瑞利-泰勒不穩定性: 在冷空氣從高層大氣“下降”(塌陷)或下降中很重要。 即使在熱空氣“急劇”上升的情況下。

黏度

粘度可能是眾所周知的,因為每個人都將水比作蜂蜜或熔岩,例如,推斷什麼是粘度。 我們換個角度想像一下:假設我們在一個紅綠燈處,前後有車輛; 當紅綠燈變綠時, 我們需要一些時間搬家; 則:粘度為各倒數載體之間的反應時間(1/反應時間); 粘度越高,反應時間越短; 也就是說,所有流體都傾向於一致或一起移動。

粘度通常被認為是流體中分子之間的摩擦力。 摩擦力越高,粘度越高。 除其他外,這種力是邊界層存在的原因:空氣越靠近地表,其速度越低(下圖中,短箭頭表示速度最慢)。

例如,滑翔傘甚至飛機飛行員都知道,當風(危險地)強時,他們可以下降,因為與樹木“齊平”會大大降低他們的力量。

繼續我們前面提到的球的例子,例如,如果機翼上空的氣流是完全層流的,並且沒有邊界層(我們已經知道這和說沒有粘性是一樣的),那麼就沒有頂部之間的壓力和機翼底部,所以沒有升力; 飛機不能飛; 就這麼簡單。 飛行是完全不可能的,但幸運的是粘性一直存在。 此外,如果沒有粘度,儘管不穩定,它們也不會引起湍流。

通過低壓聚集物質

大氣奇觀

當一個粒子(如空氣分子)處於低壓時,它會以壓力變化除以密度給出的加速度吸引它。 在高壓下會發生相反的情況,它會排斥或推動。

在氣象學上 高壓區域稱為反氣旋,而氣旋或風暴 (溫帶氣旋僅在特殊情況下) 它們被稱為低壓區。. 由於這些壓力差,大氣中的所有空氣或地球海洋中的所有水都會移動。 壓力是一切屬性之母; 事實上,影響壓力變化的還有很多其他變量:密度、溫度、粘度、重力、科里奧利力、各種慣性等; 事實上,當一個空氣分子移動時,它這樣做是因為它之前的分子已經離開了一個低壓區域,該區域往往會立即充滿

我們已經看到了在大氣或海洋等介質中出現的原因或不穩定性,形成了某些幾何形狀,其中之一——這項工作的主題——是所謂的馮卡門渦旋。 現在,一旦我們了解了乾擾任何流體的所有動力學的原因和變量,我們就可以了解這種非常具體的幾何形狀了。

當氣流圍繞任何 幾何,圍繞它演化,導致不穩定,正如我們已經看到的,形成湍流; 這些湍流實際上有無限的類型和形式; 它們中的大多數不是周期性的; 也就是說,它們不會在時間上重複。 或空間,但有些人這樣做。 這就是前面提到的馮卡門渦旋的情況。

它們在非常特定的空速條件和作為障礙物的物體的某些尺寸下形成。

我希望通過這些信息,您可以更多地了解馮卡門渦旋、它們的特徵以及在氣象學中的重要性。


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