Введение

Псевдовекторное поле, описывающее локальное вращение континуума вблизи некоторой точки. В механике континуума, вихрь – это псевдовекторное (или осевой вектор) поле, описывающее локальное вращательное движение континуума вблизи некоторой точки (склонность к вращению), как это увидел бы наблюдатель, расположенный в этой точке и движущийся вместе с потоком. Это важная величина в динамической теории жидкостей и предоставляет удобную основу для понимания различных сложных явлений течения, таких как образование и движение вихревых колец. Математически, вихрь является ротором поля скорости потока:

Поскольку вихрь является осевым вектором, он может быть связан со второй производной антисимметричным тензором (так называемым тензором вихря или тензором вращения), который считается двойственным к нему. Связь между этими двумя величинами в индексной нотации задается выражением:

где – трехмерный тензор Леви-Чивиты. Тензор вихря – это просто антисимметричная часть тензора , то есть:

Эволюция

Эволюция поля вихря во времени описывается уравнением вихря, которое можно вывести из уравнений Навье-Стокса. Во многих реальных потоках, где вязкостью можно пренебречь (точнее, в потоках с высоким числом Рейнольдса), поле вихря можно представить в виде совокупности дискретных вихрей, при этом вихрь пренебрежимо мал везде, за исключением небольших областей пространства вокруг осей вихрей. Это справедливо для двухмерного потенциального течения (то есть двухмерного течения без вязкости), в этом случае поле течения можно смоделировать как комплексную функцию на комплексной плоскости. Вихрь полезен для понимания того, как решения для идеального потенциального течения можно возмутить для моделирования реальных течений. В общем случае, наличие вязкости приводит к диффузии вихря от ядра вихря в основное поле течения; этот процесс учитывается диффузионным членом в уравнении переноса вихря.

Виртуальные линии и виртуальные трубки

Вихревая линия или линия вихряности — это линия, касательная в каждой своей точке к локальному вектору вихряности. Вихревые линии определяются соотношением, где — вектор вихряности в декартовых координатах. Вихревая трубка — это поверхность в континууме, образованная всеми вихревыми линиями, проходящими через заданную замкнутую кривую в континууме. "Сила" вихревой трубки (также называемая вихревым потоком) — это интеграл вихряности по поперечному сечению трубки, и она постоянна вдоль всей трубки (поскольку вихряность имеет нулевую дивергенцию). Это следствие теорем Гельмгольца (или, эквивалентно, теоремы циркуляции Кельвина), что в идеальной жидкости "сила" вихревой трубки также постоянна во времени. Вязкие эффекты приводят к потерям на трение и временной зависимости. В трехмерном потоке вихряность (измеряемая объемным интегралом квадрата ее модуля) может усиливаться при растяжении вихревой линии — явление, известное как растяжение вихря. Это явление наблюдается при образовании воронки в сливающейся воде и при формировании торнадо восходящими потоками воздуха.

Измеритель вихря вращающегося лопасти

Ротационный вихремер был изобретен русским гидравлическим инженером А. Я. Миловичем (1874–1958). В 1913 году он предложил пробку с четырьмя прикрепленными лопастями в качестве прибора, качественно показывающего величину вертикальной проекции вихря, и продемонстрировал киносъемку движения поплавка на поверхности воды в модели речного изгиба. Ротационные вихремеры часто демонстрируются в учебных фильмах по механике сплошных сред (известные примеры включают фильмы NCFMF «Вихревая структура» и «Основные принципы течения» Института гидравлических исследований Айовы).

Аэронавтика

В аэродинамике распределение подъемной силы по конечному крылу можно приближенно оценить, предполагая, что за каждым поперечным сечением крыла находится полубесконечный концевой вихрь. Затем можно определить интенсивность этих вихрей, используя условие отсутствия наведенного потока сквозь поверхность крыла. Эта процедура называется методом вихревых панелей в вычислительной гидродинамике. Интенсивности вихрей суммируются для определения общей приблизительной циркуляции вокруг крыла. Согласно теореме Кутты — Жуковского, подъемная сила на единицу размаха крыла равна произведению циркуляции, скорости набегающего потока и плотности воздуха.