Почему вихрь образуется на Вихревой улице фон Кармана ?
Пока у меня есть такое рассуждение: «Это происходит, когда жидкость обтекает цилиндрический объект. Давление на частицу жидкости возрастает до давления торможения, когда она ударяется о переднюю кромку объекта. Поскольку он движется вдоль пограничного слоя закругленных поверхностей (по одной с каждой стороны цилиндрического объекта), высокого давления недостаточно, чтобы заставить поток двигаться вокруг задней части цилиндра . Поэтому вблизи самой широкой части цилиндра пограничные слои отделяются от поверхности каждой стороны объекта и образуют два сдвиговых слоя, перетекающих в след. Более медленный из слоев сдвига течет ближе всего к объекту. Это когда вихрь начинает происходить. По мере того, как этот более медленный сдвиговый слой скатывается в след перед более быстрым слоем, они накладываются друг на друга и образуют закрученные вихри».
Выделенная жирным шрифтом часть - это то, что я не понимаю. Высокого давления недостаточно, чтобы заставить поток двигаться вокруг задней части цилиндра? Что это значит? Я бы предположил, что именно давление заставляет поток двигаться вниз и в начало вихря. Любая помощь будет оценена по достоинству.
Таким образом, вихревая улица появляется по мере того, как поток движется все быстрее и быстрее: поток подчиняется законам Ньютона: «движущиеся объекты имеют тенденцию оставаться в движении, если на них не действует результирующая сила».
Сила, удерживающая поток ламинарным вокруг цилиндра, представляет собой давление жидкости , образуемое силами вязкости жидкости, а значит, возникает градиент давления и за цилиндром формируется область пониженного давления. (Это также является одним из объяснений того, почему, когда вы отпускаете цилиндр, он начинает течь вниз по течению. Если инвертировать это объяснение, тот факт, что шток должен удерживаться на месте, означает, что эти градиенты давления должны существовать.)
Но по мере увеличения скорости жидкости и, следовательно, ее импульса, если вы не измените другие параметры, чтобы сохранить число Рейнольдса постоянным, тогда линии потока жидкости должны отделиться от цилиндра. Вы увеличиваете силы инерции в жидкости, но силы вязкости не увеличиваются, чтобы компенсировать их и поддерживать ламинарный поток. Это приводит к тому, что граница жидкости отрывается от цилиндра.
Жидкость, застрявшая внутри следа, затем получает силы сдвига от этих двух границ, обтекающих ее с обеих сторон. При определенном режиме параметров цилиндр лишь удерживает в своем следе два вихря, питаемых сдвиговыми силами от пограничного слоя.
Вихревая дорожка возникает, когда эти силы сдвига становятся настолько большими, что фактически толкают вихри сильнее, чем градиенты давления отталкивают их назад. Если бы теоретически можно было добиться точной симметрии, оба вихря соединились бы вместе из-за симметрии: но это все равно, что пытаться сбалансировать карандаш на острие: противоположное вращение вихрей создает силу, которая их отталкивает. Некоторая асимметрия неизбежна, и они начинают линять поочередно. Это создает вихревую улицу.
Это помогает?
На самом деле это не полностью решенный вопрос, поэтому не расстраивайтесь, если вы не понимаете его во всех деталях! Также возможно, что причина не одинакова во всех ситуациях, и имейте в виду, что мое объяснение не является общепринятым, но вот моя интерпретация:
На самом деле происходит два взаимодействующих явления: образование присоединенных вихрей (вихрей) и неустойчивость следа. Образование вихрей происходит потому, что жидкость, обтекающая цилиндр, но на некотором расстоянии от него, движется быстро относительно жидкости непосредственно за цилиндром. Сдвиг (или, если хотите, низкое давление за цилиндром) перенаправляет поток к центру следа и, в конечном счете, (часть его) обратно к цилиндру, создавая два симметричных водоворота, по одному с каждой стороны. Это устойчивое решение уравнений Навье-Стокса при условии, что поток равен нулю на границе цилиндра, но это не обязательно устойчивое решение .
В то же время при неустойчивости следа при определенных параметрах потока осевая линия следа за цилиндром начинает вилять. Причина этого еще изучается, и неясно, какую именно роль играют присоединенные вихри в начале, если таковые имеются, но это хорошо известная неустойчивость. (Это спорная часть - многие попытки объяснения неустойчивости вихреобразования игнорируют неустойчивость следа или предполагают, что неустойчивость следа является следствием нестабильности прикрепленных вихрей и, следовательно, что она не может быть причиной вихреобразования. Я думаю, что обе эти линии рассуждений ошибочны, хотя, безусловно, существует взаимное взаимодействие между присоединенными вихрями и неустойчивостью следа.)
По мере увеличения скорости потока происходят две вещи: присоединенные водовороты становятся длиннее, а амплитуда неустойчивости следа увеличивается. В конце концов, завихрения становятся достаточно длинными, а неустойчивость следа достаточно большой, чтобы пики бокового следа могли срезать завихрения. Поскольку неустойчивость следа колеблется взад и вперед, она сжимает водовороты попеременно то с одной, то с другой стороны, и вы получаете вихревую дорожку.
Известно, что взаимодействие вихреобразования со средним следом носит нелинейный характер в том смысле, что наиболее неустойчивая мода начального стационарного следа инициирует неустойчивость, но затем по мере роста вихри изменяют средний поток, который изменяется больше всего. неустойчивый режим и т. д., пока не будет достигнута точка насыщения. Эта точка насыщения и есть то, что обычно наблюдается как вихревая улица.