Кіріспе

Сұйықтықтағы тор пішінді айналым. Торлы айналым сақинасы, сондай-ақ тороидтық айналым деп аталады, сұйықтықтағы тор пішінді айналым; яғни, сұйықтық көбінесе жабық шеңбер құрайтын көзге көрінбейтін ось бойымен айналатын аймақ. Айналым сақинасындағы басым ағын тороидтық, дәлірек айтқанда, полоидтық болып табылады. Айналым сақиналары сұйықтар мен газдардың турбулентті ағынында көп кездеседі, бірақ сұйықтың қозғалысы көбінесе темекі шегушілердің қасақана немесе кездейсоқ жасаған түтін сақиналары сияқты, ішіндегі бөлшектер арқылы көрінбейінше, байқау қиын. От жегіштердің танымал тәсілі – отты айналым сақиналарын жасау. Көрінетін айналым сақиналары кейбір артиллериялық оқтардан, саңырауқұлақ тәрізді бұлттардан, микрожарылымдардан және сирек жағдайларда жанартаулық жарылыстардан да пайда болуы мүмкін. Айналым сақинасы әдетте сақина жазықтығына перпендикуляр бағытта қозғалады, сондықтан сақинаның ішкі жиегі сыртқы жиегінен жылдам қозғалады. Сұйықтың тұрақты денесінде айналым сақинасы айналып жатқан сұйықтықты өзімен бірге алып жүре отырып, салыстырмалы түрде ұзақ қашықтыққа жүре алады.

Құрылымы

Әдеттегі айналым сақинасында сұйықтық бөлшектері шамамен дөңгелек жолмен, сол жолдарға перпендикуляр қиялды шеңбердің (орталық) айналасында қозғалады. Кез келген айналымдағыдай, сұйықтың жылдамдығы ядроға жақын жерлерден басқа шамамен тұрақты болады, сондықтан бұрыштық жылдамдық ядроға қарай артады, ал айналымның көп бөлігі (демек, энергияның көп бөлігі) оның жанында шоғырланады. Теңіз толқынынан айырмашылығы, оның қозғалысы тек көзге көрінетін болса, қозғалатын айналым сақинасы айналушы сұйықтықты шынымен алып жүреді. Айналмалы дөңгелек автомобиль мен жер арасындағы үйкелісті азайтатыны сияқты, айналымның полоидальдық ағыны өзек пен айналадағы тұрақты сұйықтық арасындағы үйкелісті азайтады, бұл оған масса мен кинетикалық энергияны салыстырмалы түрде аз жоғалтып, өлшем мен пішінін аз өзгертіп, ұзақ қашықтықты жүруге мүмкіндік береді. Осылайша, айналып өтетін сақина массаны сұйықтық ағынына қарағанда әлдеқайда алысқа және аз таратумен жеткізе алады. Мысалы, түтіннің сақинасы неге тоқтап, таралып кеткеннен кейін де ұзақ уақыт бойы қозғала беретінін осымен түсіндіруге болады. Айналым сақиналарының бұл қасиеттері көтеріліс кезінде тәртіп сақтау үшін виртциклдік сақиналық тапаншада және ауа виртциклдік пушкалар сияқты айналым сақиналық ойыншықтарда қолданылады.

Құрылу процесі

Вортекстік сақиналардың қалыптасуы ғалымдар қауымын бір ғасырдан астам уақыт бойы қызықтырып келеді, бастапқыда Уильям Бартон Роджерс ауадағы ауа сақиналарының, сұйықтықтағы ауа сақиналарының және сұйықтықтағы сұйық сақиналарының қалыптасу процесін бақылаған болатын. Атап айтқанда, Уильям Бартон Роджерс сұйықтықтың бір тамшысын еркін сұйық бетіне тамшудың қарапайым тәжірибелік әдісін қолданды; сүт немесе боялған су сияқты түсті сұйықтықтың тамшысы, беттік кернеудің әсерінен, интерфейсте айналмалы сақинаны қалыптастырады. Г. И. Тейлор вортекстік сақина жасау үшін дискіні тоқтаған күйден импульстік түрде қозғалуға ұсынды. Ағын цилиндрлік вортекстік қабатты құру үшін бөлінеді, ал дискіні жасанды түрде еріту арқылы оқшауланған вортекстік сақина қалдырылады. Бұл, біреу кофе кесесін қасықпен араластырып, кеседегі жартылай вортекстің қалыптасуын байқағанда болады. Лаборатория жағдайында вортекстік сақиналар өткір жиекті сопло немесе тесік арқылы сұйықтықты импульстік түрде шығару арқылы жасалады. Поршень/цилиндр жүйесінің импульстік қозғалысы электрлік жетекке немесе басқару клапанына қосылған қысымды ыдысқа байланысты қозғалады. Сопло геометриясы үшін және алғашқы жуықтауда, шығарылатын ағынның жылдамдығы біркелкі және поршеньнің жылдамдығына тең. Бұл параллельді бастау реакциясы деп аталады. Конус тәрізді сопло да болуы мүмкін, онда шығарылатын ағын сызықтары орталық сызыққа қарай бағытталған. Бұл конвергентті бастау реакциясы деп аталады. Түтік шығысын жабатын тесік геометриясын шексіз конвергентті сопло ретінде қарастыруға болады, бірақ вортекстің қалыптасуы конвергентті соплодан едәуір өзгешеленеді, негізінен тесік табағының қалыңдығындағы шекаралық қабаттың болмауына байланысты. Сондықтан, жылдам қозғалатын сұйықтық (A) тыныш сұйықтыққа (B) шығарылады. Екі сұйықтықтың арасындағы интерфейсте туындайтын серпіліс, сұйықтықтың сыртқы қабатын (A) орталық сызыққа қатысты баяулатады. Кутта шартын орындау үшін ағын ажыратылып, иіліп, вортекстік қабат түрінде оралуға мәжбүр болады. Кейіннен, вортекстік қабат бастапқы ағыннан бөлініп, өзіндік кинематикасының әсерінен төмен қарай еркін таралады. Бұл темекі шегуші аузынан түтін сақиналарын жасағанда байқалатын процесс, сондай-ақ вортекстік сақина ойыншықтарының жұмыс принципі. Екіншілік факторлар вортекстік сақиналардың қалыптасу процесін өзгерте алады. Медузалар мен кальмарлар су ортасында айналмалы сақиналарды периодты түрде шығарып, қозғалатыны көрсетілді. Соңында, өнеркәсіптік қолданыстар үшін периодты түрде қалыптасатын вортекстік сақиналардан тұратын синтетикалық реактив, ағынды басқару, жылу және масса алмасу және итермелеуді жасау үшін перспективті технология болып табылады.

Вортекстілік формация нөмірі

Гариб және басқалар. (1998) бұрын, ұзақ соққы диаметріне қатынасымен қалыптасқан вихрь сақиналарының пайда болуына көп зерттеулер бағытталған жоқ, мұндағы – шығын арқылы шығарылатын сұйықтық бағанының ұзындығы, ал – шығын диаметрі. Қысқа соққы қатынастарында тек бір ғана оқшау вихрь сақинасы пайда болады және қалыптасу процесінде сұйықтық қалмайды. Бірақ, ұзақ соққы қатынастарында вихрь сақинасын кейбір энергетикалық сұйықтық ілеседі, ол соңындағы ағын деп аталады. Бұл құбылыстың тәжірибелік дәлелдерін көрсетумен қатар, құбылыс энергияны барынша арттыру тұрғысынан түсіндірілді, бұл алғаш рет Келвин айтқан және кейін Бенджамин (1976) немесе Фридман және Туркингтон (1981) дәлелдеген вариациялық принципті қамтиды. Соңында, Гариб және басқалар. (1998) Мысалы, адам жүрегі немесе жүзуші және ұшатын жануарлар сияқты биологиялық жүйелер шамамен 4 құралу санына жуық соққы-диаметр қатынасымен вихрь сақиналарын жасайды, осылайша итермелеу, жылдамдату және масса тасымалы тұрғысынан оңтайлы вихрь сақинасының қалыптасу процесінің болуына негіз жасайды. Атап айтқанда, лоллигункула брейвис шамамен 4 соққы қатынасында периодты түрде вихрь сақиналарын шығару арқылы өзін қозғалтатыны көрсетілді, және бұл түсті допплерлік карталау және магниттік резонанстық бейнелеуге негізделген талдаулармен расталды. Кейбір жаңа зерттеулер диастоланың жылдам толтыру фазасында вихрь сақинасының бар екенін де растады және вихрь сақинасының қалыптасу процесі митральдік сақинаның динамикасына әсер етуі мүмкін екенін көрсетті.

Бұзық сақиналар

Су астында ауа шығару арқышінде көпіршік сақиналары пайда болады, олар – көпіршіктердің (немесе тікше тәрізді жалғыз көпіршіктің) өзінің осі бойында тұзбаланған судың айналмалы сақиналары. Мұндай сақиналарды көбінесе аквалангистер мен дельфиндер жасайды.

Бөлек вихрелік сақиналар

Қоңыр гүлдің (қызыл гүлдің) тұқымының оянында қалыптасатын сияқты, бөлінген тұйық ағындардың (SVR) болуы туралы зерттеулер мен тәжірибелер жүргізілді. Осы ерекше ағын сақинасы тұқымның ауада қозғалысын тиімді түрде тұрақтандырып, тұқымның көтерілу күшін арттырады. Стандартты ағын сақинасымен салыстырғанда, ол ағынмен бірге жылжиды, ал осьтік симметриялы SVR ұшу барысында қоңыр гүлдің қауырсынына (паппус) бекітіліп, жылдамдықты арттыру үшін қарсылық күшін пайдаланады. Осы қоңыр гүл тұқымдарының құрылымдары желмен жүзіп, кең аумаққа таралатын, батареясыз кішкентай сымсыз сенсорларды жасауға пайдаланылды.

Тарихи зерттеулер

Вортекстік сақиналардың қалыптасуы ғалымдар қауымын бір ғасырдан астам уақыт бойы қызықтырып келеді, бастапқыда Уильям Бартон Роджерс ауадағы ауа сақиналарының, сұйықтықтағы ауа сақиналарының және сұйықтықтағы сұйық сақиналарының қалыптасу процесін байқаған болатын. Атап айтқанда, Уильям Бартон Роджерс сұйықтықтың бір тамшысын еркін сұйық бетіне тамшудың қарапайым тәжірибелік әдісін қолданды; сүт немесе боялған су сияқты түсті сұйықтықтың тамшысы, беттік кернеудің әсерінен, интерфейсте сөзсіз вортекстік сақинаны қалыптастырады. Вортекстік сақиналарды алғаш рет 1858 жылы неміс физигі Герман фон Гельмгольц "Вортекстік қозғалысты көрсететін гидродинамикалық теңдеулердің интегралдары туралы" атты мақаласында математикалық тұрғыдан талдады.