Восходящие закрученные потоки воздуха при вертикальном продуве

Восходящие закрученные потоки при вертикальном продуве — это искусственно создаваемые вихревые структуры, которые формируются при откачивании воздуха в вертикальном направлении через трубу. Данное явление исследуется в качестве лабораторного аналога природных вращающихся атмосферных образований, таких как торнадо и тропические циклоны, а также служит физической основой для технологии вихревых энергогенераторов.

Механизм формирования вихря

При вертикальном продуве вентилятор вытяжного типа, расположенный в трубе, создаёт восходящий поток воздуха. Разрежение, возникающее у основания трубы, вызывает радиальное движение окружающего воздуха к центру. Под влиянием силы Кориолиса радиальный поток отклоняется и приобретает вращательную компоненту, что постепенно приводит к образованию устойчивого восходящего вихря с областью пониженного давления в его центральной части.

Процесс формирования вихря включает четыре основные стадии:

1. Подъём воздуха вверх через трубу (вертикальный сток). 2. Радиальное течение окружающего воздуха к центру трубы. 3. Отклонение и закручивание радиального потока под действием силы Кориолиса. 4. Образование вращающейся области с пониженным давлением в центре.

Численное моделирование

Для описания течения применяется полная система уравнений Навье — Стокса для сжимаемого вязкого теплопроводного газа с учётом силы тяжести и силы Кориолиса. Расчёты выполняются в прямоугольной области, расположенной под устьем трубы. Начальные условия соответствуют «спокойной атмосфере», в которой плотность и температура уменьшаются с высотой. Вертикальный продув задаётся как нарастание вертикальной скорости во времени по экспоненциальному закону до заданного максимального значения. Результаты моделирования предоставляют распределения полей давления, плотности, температуры и скорости, которые демонстрируют следующие особенности:

Кинетическая энергия потока

Графики кинетической энергии и её составляющих показывают увеличение энергии вращательного движения по мере развития вихря, а также выход на квазистационарный режим. В этом режиме вращательная составляющая стабилизируется на уровне, сопоставимом с поступательной. Ключевое отличие лабораторного вихря заключается в том, что он создаётся в контролируемых условиях, что позволяет систематически изменять такие параметры, как скорость продува, диаметр трубы и высоту установки.

См. также

• Торнадо
• Смерч
• Тропический циклон
• Вихревой энергогенератор
• Сила Кориолиса
• Уравнения Навье — Стокса