Кіріспе

Сұйықтық динамикасында Тейлор-Куэтт ағыны екі айналатын цилиндр арасындағы кеңістікте орналасқан тұтқыр сұйықтықтан тұрады. Рейнольдс саны Re арқылы өлшенетін төмен бұрыштық жылдамдықтар үшін ағын тұрақты және таза азимуттық болады. Бұл негізгі күй айналмалы Куэтт ағыны деп аталады, осы эксперименттік құрылғыны тұтқырлықты өлшеу үшін қолданған Морис Мари Альфред Куэтттің есімімен байланысты. Сэр Джеффри Инграм Тейлор Куэтт ағынының тұрақтылығын зерттеген маңызды еңбек жариялады. Тейлордың еңбегі гидродинамикалық тұрақтылық теориясын дамытудағы негізгі тасқа айналды және сол кездегі ғылыми қауымдастықтар дауласып жүрген тайғақсыз жағдайдың, қатты шекарадағы тұтқыр ағындар үшін дұрыс шекаралық шарт екенін көрсетті. Тейлор ішкі цилиндрдің бұрыштық жылдамдығы белгілі бір шектен асып кеткенде, Куэтт ағыны тұрақсыз болып, Тейлор бұрқасы ағыны деп аталатын осьтік симметриялық тороидтық бұрқастармен сипатталатын екінші тұрақты күй пайда болатынын көрсетті. Содан кейін цилиндрдің бұрыштық жылдамдығын арттыру арқылы жүйе тұрақсыздықтардың тізбегіне ұшырайды, бұл кеңістік-уақыт күрделілігі жоғары күйлерге әкеледі, ал келесі күй толқынды бұрқас ағыны деп аталады. Егер екі цилиндр қарама-қарсы бағытта айналса, спиральді бұрқас ағыны пайда болады. Белгілі бір Рейнольдс санынан асып кеткенде турбуленттілік басталады. Айналмалы Куэтт ағынының қолданылу саласы кең, тұзды суды тазартудан магнитогидродинамикаға және вискозиметриялық талдауға дейін қолданылады. Әртүрлі ағын режимдері жылдар бойы жіктеліп келді, оның ішінде бұрылған Тейлор бұрқасы және толқынды шығыс шекаралары бар. Бұл сұйықтық динамикасында жақсы зерттелген және құжатталған ағын.

Рейлидің критерийі

Лорд Рейли тұтқырлық жоқ деп есептегенде, яғни Эйлер теңдеулеріне қосымша өзгерістер енгізгендегі проблеманың тұрақтылығын зерттеді. Критерий бойынша, тұтқырлық болмаған жағдайда азимуттық жылдамдық таралуының тұрақты болуы үшін қажетті және жеткілікті шарт – интервалдың барлық жерінде оң мәнге ие болуы; ал егер интервалдың кез келген жерінде кемісе, таралу тұрақсыз болады. Бұл шартты басқаша айтқанда, бұрылыс осіне шаққандағы сұйық элементінің масса бірлігіне шаққандағы бұрыштық импульсін көрсетеді, сондықтан бұрыштық импульстің қабаттасуы тек сыртқа қарай монотонды түрде өскенде ғана тұрақты болады. Бұл критерийді Тейлор-Куэтт ағынына қолданғанда, ағын тұрақты болады, егер , яғни тұрақтылық үшін сыртқы цилиндрдің бұрыштық жылдамдығы ішкі цилиндрдің бұрыштық жылдамдығынан үлкен болуы керек. Ал егер , яғни цилиндрлер қарама-қарсы бағытта айналса, Рейли критериі тек ішкі аймақта бұзылады, яғни , мұндағы .

ГоллубСвинидің дөңгелек Куэтте эксперименті

1975 жылы Дж. П. Голуб пен Х. Л. Суинни айналмалы сұйықтықта турбуленттіліктің басталуы туралы мақала жариялады. Тейлор-Куэтт ағысы жүйесінде олар айналу жылдамдығы артқан сайын сұйықтықтың "сұйық донаттар" қабатына бөлінетінін байқады. Айналу жылдамдығы одан әрі артқанда, донаттар тербеліп, бұрылып, соңында турбуленттікке айналады. Олардың зерттеулері Флорис Такенс пен Дэвид Руэллдің гидродинамикалық жүйелердің тұрақты ағын үлгілерінен турбуленттікке қалай өтетінін түсінуге бағытталған, маңызды үлесі болған Руэлл-Такенс сценарийін қалыптастыруға көмектесті. Осы өтудің басты, анықтаушы факторы – Рейнольдс саны болғанымен, басқа да маңызды факторлар бар: ағын ашық (яғни, бүйірлік жоғары және төмен ағындар бар) немесе жабық (ағын бүйірлік жағынан шектелген; мысалы, айналмалы) және шектелген (қабырға әсеріне ұшырайтын) немесе шектелмеген (қабырға әсеріне ұшырамайтын) болуы. Осы жіктеуге сәйкес, Тейлор-Куэтт ағыны – жабық, шектелген ағын жүйесінде қалыптасатын ағын үлгісінің мысалы.