Введение

Вихревое кольцо, также называемое тороидальным вихрем, — это вихрь в форме тора в жидкости, то есть область, где жидкость преимущественно вращается вокруг воображаемой оси, образующей замкнутую петлю. Основный поток в вихревом кольце считается тороидальным, точнее – полоидальным. Вихревые кольца часто встречаются в турбулентных потоках жидкостей и газов, но их редко замечают, если движение жидкости не становится видимым благодаря взвешенным частицам, как, например, в дымовых кольцах, которые часто создаются курильщиками намеренно или случайно. Огненные вихревые кольца также являются распространенным трюком, выполняемым огнедыхателями. Видимые вихревые кольца могут также образовываться при стрельбе из определенной артиллерии, в грибовидных облаках, при микропорывах и редко – при вулканических извержениях. Вихревое кольцо обычно стремится двигаться в направлении, перпендикулярном плоскости кольца, так, что внутренний край кольца движется вперед быстрее, чем внешний. В неподвижной жидкости вихревое кольцо может перемещаться на относительно большое расстояние, увлекая за собой вращающуюся жидкость.

Структура

В типичном вихревом кольце частицы жидкости движутся по приблизительно круговым траекториям вокруг воображаемого круга (ядра), который перпендикулярен этим траекториям. Как и в любом вихре, скорость жидкости примерно постоянна, за исключением области вблизи ядра, где угловая скорость возрастает по направлению к ядру, и большая часть вихря (а следовательно, и большая часть диссипации энергии) сосредоточена вблизи него. В отличие от морской волны, чье движение лишь кажущееся, движущееся вихревое кольцо фактически переносит вращающуюся жидкость вместе с собой. Подобно тому, как вращающееся колесо снижает трение между автомобилем и дорогой, полоидальный поток вихря уменьшает трение между ядром и окружающей неподвижной жидкостью, позволяя ему проходить большие расстояния с относительно небольшими потерями массы и кинетической энергии, и незначительными изменениями размера или формы. Таким образом, вихревое кольцо способно переносить массу значительно дальше и с меньшим рассеянием, чем струя жидкости. Это объясняет, например, почему кольцо дыма продолжает двигаться даже после того, как весь дополнительный дым, выдутый вместе с ним, остановился и рассеялся. Эти свойства вихревых колец используются в вихревых кольцевых устройствах для контроля массовых беспорядков и в вихревых кольцевых игрушках, таких как воздушные вихревые пушки.

Процесс формирования

Формирование вихревых колец увлекало научное сообщество более века, начиная с Уильяма Бартона Роджерса, который провел наблюдения за процессом образования воздушных вихревых колец в воздухе, воздушных колец в жидкостях и жидких колец в жидкостях. В частности, Уильям Бартон Роджерс использовал простой экспериментальный метод, заключающийся в том, чтобы капля жидкости падала на свободную поверхность жидкости; падающая цветная капля жидкости, такая как молоко или окрашенная вода, неизбежно формирует вихревое кольцо на границе раздела из-за поверхностного натяжения. Метод, предложенный Г. И. Тейлором для генерации вихревого кольца, заключается в импульсивном запуске диска из состояния покоя. Поток отделяется, образуя цилиндрический вихревой лист, и искусственным растворением диска остается изолированное вихревое кольцо. Это происходит, например, когда кто-то перемешивает кофе ложкой и наблюдает распространение полувихря в чашке. В лаборатории вихревые кольца формируются импульсивным выбросом жидкости через сопло или отверстие с острым краем. Импульсное движение системы поршня/цилиндра инициируется либо электрическим приводом, либо сосудом под давлением, подключенным к управляющему клапану. Для геометрии сопла, и при первом приближении, скорость истечения является равномерной и равна скорости поршня. Это называется параллельным начальным потоком. Возможно использование конического сопла, в котором линии тока на выходе направлены к центральной линии. Это называется сходящимся начальным потоком. Геометрия отверстия, состоящая из отверстия, перекрывающего выходное отверстие прямой трубки, может рассматриваться как бесконечно сходящееся сопло, но формирование вихря значительно отличается от сходящегося сопла, главным образом из-за отсутствия пограничного слоя в толщине отверстия на протяжении всего процесса формирования. Быстродвижущаяся жидкость (А) поэтому выбрасывается в покоящуюся жидкость (В). Сдвиг, возникающий на границе между двумя жидкостями, замедляет внешний слой жидкости (А) относительно жидкости на центральной линии. Чтобы удовлетворить условию Кутты, поток вынужден отделиться, закрутиться и свернуться в вихревой лист. Позже вихревой лист отрывается от питающего потока и свободно распространяется вниз по течению благодаря своей собственной кинематике. Это процесс, который обычно наблюдается, когда курильщик выдыхает дымовые кольца изо рта, и по принципу работы игрушек, формирующих вихревые кольца. Вторичные эффекты, вероятно, будут изменять процесс формирования вихревых колец. Было показано, что медузы или кальмары перемещаются в воде, периодически выбрасывая вихревые кольца в окружающее пространство. Наконец, для более промышленных применений синтетическая струя, состоящая из периодически формируемых вихревых колец, оказалась перспективной технологией для управления потоком, тепло- и массообмена и создания тяги.

Номер формирования вихря

До работы Гариб и др. (1998) лишь немногие исследования были посвящены формированию вихревых колец, генерируемых при больших отношениях длины хода к диаметру, где – длина столба жидкости, выбрасываемой через сопло, а – диаметр сопла. При малых отношениях длины хода формируется только одно изолированное вихревое кольцо, и в процессе формирования жидкость не остаётся позади. Однако при больших отношениях длины хода за вихревым кольцом следует некоторое количество энергии, называемое прицепом (trailing jet). Помимо экспериментального подтверждения этого явления, объяснение было дано с точки зрения максимизации энергии, опираясь на вариационный принцип, впервые предложенный Кельвином и впоследствии доказанный Бенджамином (1976) или Фридманом и Туркингтоном (1981). В конечном итоге, Гариб и др. (1998) показали, например, что биологические системы, такие как человеческое сердце или плавающие и летающие животные, генерируют вихревые кольца с отношением длины хода к диаметру, близким к числу образования, составляющему около 4, что указывает на существование оптимального процесса формирования вихревых колец с точки зрения движения, создания тяги и переноса массы. В частности, было показано, что кальмар *Lolliguncula brevis* перемещается, периодически излучая вихревые кольца при отношении длины хода, близком к 4, что впоследствии было подтверждено анализом, основанным на цветной допплерографии и магнитно-резонансной томографии. Некоторые недавние исследования также подтвердили наличие вихревого кольца во время фазы быстрого наполнения диастолы и предположили, что процесс формирования вихревого кольца может влиять на динамику митрального кольца.

Пузырьковые кольца

Выпускание воздуха под водой образует пузырьковые кольца — вихревые кольца воды, в которых пузырьки (или даже одно кольцеобразное пузырьковое образование) захвачены вдоль оси кольца. Такие кольца часто создают аквалангисты и дельфины.

Отдельные вихревые кольца

Были проведены исследования и эксперименты, посвященные существованию разделенных вихревых колец (SVR), таких как те, что формируются в следе за парашютом одуванчика. Этот особый тип вихревого кольца эффективно стабилизирует семя во время его полета в воздухе и увеличивает создаваемую им подъемную силу. В отличие от стандартного вихревого кольца, которое движется по потоку, осесимметричное SVR остается прикрепленным к парашюту одуванчика на протяжении всего полета и использует сопротивление для увеличения дальности перемещения. Эти структуры семян одуванчика были использованы для создания крошечных беспроводных датчиков, не требующих батарей, которые могут парить на ветру и распространяться на большой площади.

Исторические исследования

Формирование вихревых колец увлекало научное сообщество более века, начиная с Уильяма Бартона Роджерса, который проводил наблюдения за процессом образования воздушных вихревых колец в воздухе, воздушных колец в жидкостях и жидких колец в жидкостях. В частности, Уильям Бартон Роджерс использовал простой экспериментальный метод, заключавшийся в том, чтобы капля жидкости падала на свободную поверхность жидкости; падающая цветная капля жидкости, такая как молоко или окрашенная вода, неизбежно образует вихревое кольцо на границе раздела из-за поверхностного натяжения. Вортексовые кольца впервые были математически проанализированы немецким физиком Германом фон Гельмгольцем в его статье 1858 года «Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение».