Введение
В динамике жидкостей, вихрь – это закручивание жидкости и обратный поток, возникающие при турбулентном режиме течения. Движущаяся жидкость создает область, лишенную потока вниз по течению, с подветренной стороны объекта. Жидкость, обтекающая препятствие, заполняет эту область, образуя закручивание жидкости по краям препятствия, за которым следует кратковременный обратный поток, направленный вверх по течению, к задней части препятствия. Это явление можно наблюдать за крупными камнями, выступающими из воды в быстротекущих реках. Вихрь – это движение жидкости, отклоняющееся от общего направления потока. Примером вихря является воронка, вызывающая подобное отклонение. Однако существуют и другие типы вихрей, не являющиеся простыми воронками. Например, волна Россби – это вихрь, представляющий собой волнистое отклонение от среднего течения, но не имеющий замкнутых линий тока, характерных для воронки.
In fluid dynamics, an eddy is the swirling of a fluid and the reverse current created when the fluid is in a turbulent flow regime. The moving fluid creates a space devoid of downstream flowing fluid on the downstream side of the object. Fluid behind the obstacle flows into the void creating a swirl of fluid on each edge of the obstacle, followed by a short reverse flow of fluid behind the obstacle flowing upstream, toward the back of the obstacle. This phenomenon is naturally observed behind large emergent rocks in swift flowing rivers. An eddy is a movement of fluid that deviates from the general flow of the fluid. An example for an eddy is a vortex which produces such deviation. However, there are other types of eddies that are not simple vortices. For example, a Rossby wave is an eddy which is an undulation that is a deviation from mean flow, but does not have the local closed streamlines of a vortex.
Вихри и вихри в машиностроении
Склонность жидкости к закручиванию используется для обеспечения хорошего смешивания топлива и воздуха в двигателях внутреннего сгорания. В механике жидкостей и транспортных явлениях вихрь – это не свойство жидкости, а интенсивное вращательное движение, вызванное положением и направлением турбулентного потока.
Гемодинамика
Гемодинамика – это изучение кровотока в системе кровообращения. Кровоток в прямых участках артериального дерева обычно ламинарный (высокое направленное напряжение на стенку), однако ветвления и изгибы в системе вызывают турбулентный поток. Данные о явлениях турбулентного потока используются для моделирования различных переходов в режимах течения жидкости, которые применяются для тщательного перемешивания жидкостей и повышения скорости реакций в промышленных процессах.
Течения жидкостей и контроль загрязнения
Океанские и атмосферные течения переносят частицы, обломки и организмы по всему земному шару. Перенос организмов, таких как фитопланктон, необходим для поддержания экосистем, однако нефть и другие загрязнители также перемешиваются с течением и могут распространять загрязнение на большие расстояния от источника. Вихревые образования собирают мусор и другие загрязнители в концентрированных областях, за которыми ученые наблюдают для повышения эффективности очистки и предотвращения загрязнения. Распространение и перемещение пластика, вызванное вихревыми образованиями в природных водоемах, можно прогнозировать с использованием лагранжевых моделей переноса. Мезомасштабные океанские вихри играют ключевую роль в переносе тепла к полюсам, а также в поддержании градиентов температуры на различных глубинах.
Экологические потоки
Моделирование развития вихрей, в связи с турбулентностью и процессами переноса веществ, имеет решающее значение для понимания функционирования экологических систем. Понимание переноса как взвешенных, так и растворенных веществ в потоках окружающей среды позволит ученым и инженерам эффективно разрабатывать стратегии по ликвидации последствий загрязнений. Образование вихрей играет важную роль в распространении и переносе растворенных веществ и частиц в экологических потоках, таких как реки, озера, океаны и атмосфера. Апвеллинг в расслоенных прибрежных эстуариях способствует формированию динамических вихрей, которые распределяют питательные вещества из-под пограничного слоя, образуя шлейфы. Мелководья, такие как прибрежные зоны, играют сложную роль в переносе питательных веществ и загрязняющих веществ из-за влияния верхней границы, обусловленной ветром, и нижней границы вблизи дна водоема.
Мезомасштабные океанские вихри
Вихри – обычное явление в океане, их диаметр варьируется от сантиметров до сотен километров. Наименьшие вихри могут существовать всего несколько секунд, в то время как более крупные могут сохраняться месяцами или годами. Вихри диаметром от 10 до 500 км, сохраняющиеся в течение дней или месяцев, в океанографии известны как мезомасштабные вихри. Мезомасштабные вихри делятся на две категории: статические вихри, возникающие из-за обтекания потоком препятствия (см. анимацию), и преходящие вихри, вызванные бароклинной нестабильностью. Когда в океане присутствует градиент высоты уровня моря, это формирует струйное течение или океанское течение, такое как Антарктическое циркумполярное течение. Это течение, являясь частью бароклинически нестабильной системы, извивается и создает вихри (подобно тому, как извилистая река образует старицу). Вихри этого типа наблюдались во многих крупных океанских течениях, включая Гольфстрим, течение Агульяс, течение Куросио и Антарктическое циркумполярное течение, среди прочих. Мезомасштабные океанские вихри характеризуются течениями, циркулирующими вокруг центра вихря приблизительно по кругу. Направление вращения этих течений может быть как циклоническим, так и антициклоническим (например, вихри Хайда). Океанские вихри обычно состоят из водных масс, отличных от окружающих. То есть, вода внутри вихря обычно имеет другие характеристики температуры и солености, чем вода снаружи. Существует прямая связь между свойствами водной массы вихря и направлением его вращения. Теплые вихри вращаются антициклонически, а холодные – циклонически. Из-за интенсивной циркуляции, связанной с вихрями, они представляют интерес для военно-морских и коммерческих операций в море. Кроме того, поскольку вихри переносят аномально теплую или холодную воду при движении, они оказывают значительное влияние на перенос тепла в определенных частях океана.
Влияние на высших хищников
Известно, что в субтропической Северной Атлантике существуют как циклонические, так и антициклонические вихри, связанные с высоким и низким уровнем поверхностного хлорофилла соответственно. Наличие хлорофилла и более высокие его уровни позволяют этому региону поддерживать большую биомассу фитопланктона, что обусловлено областями с повышенными вертикальными потоками питательных веществ и транспортировкой биологических сообществ. Эта область Атлантики также считается океанической пустыней, что создает интересный парадокс, поскольку в ней обитают разнообразные крупные популяции пелагических рыб и высших хищников. Эти мезомасштабные вихри оказались полезными для разработки экосистемного управления моделями пищевой сети, позволяя лучше понять использование этих вихрей как высшими хищниками, так и их добычей. Гаубе и др. (2018) использовали теги Smart Position or Temperature Transmitting tags (SPOT) и Pop Up Satellite Archival Transmitting tags (PSAT) для отслеживания передвижений и поведения при нырянии двух самок белых акул (Carcharodon carcharias) внутри вихрей. Вихри определялись по высоте уровня моря (SSH) и контурам, используя радиусную шкалу, основанную на горизонтальной скорости. Исследование показало, что белые акулы ныряли как в циклонах, так и в антициклонах, но предпочитали антициклоны, в которых было в три раза больше погружений, чем в циклонических вихрях. Кроме того, в вихрях Гольфстрима антициклонические вихри встречались на 57% чаще и характеризовались большим количеством и глубиной погружений, чем вихри открытого океана и циклонические вихри Гольфстрима. Более того, популяции добычи могут быть более сконцентрированы внутри этих вихрей, привлекая крупных самок акул на охоту в этой мезопелагической зоне. Эта закономерность ныряния может соответствовать диэльной вертикальной миграции, однако без дополнительных данных о биомассе их добычи в этой зоне нельзя делать выводы, основываясь только на этих косвенных доказательствах. Биомасса в мезопелагической зоне изучена недостаточно, что может приводить к недооценке биомассы рыб в этом слое. Более точные измерения этой биомассы могут принести пользу коммерческому рыболовству, предоставив им дополнительные рыболовные угодья в этом регионе. Кроме того, для популяций рыб и высших хищников, которые могут зависеть от этого источника пищи, а также для разработки более эффективных планов экосистемного управления, крайне важно дальнейшее изучение этого региона открытого океана и понимание того, как вылов рыбы в этом регионе может повлиять на эту пелагическую пищевую сеть.