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Eine Wirbelstraße um einen Zylinder. Dies kann um Zylinder und Kugeln für jede Flüssigkeit, Zylindergröße und Flüssigkeitsgeschwindigkeit auftreten, vorausgesetzt, die Strömung hat eine Reynolds-Zahl im Bereich von ~ 40 bis ~ 1000. [1]

In der Fluiddynamik , ein Wirbel ist die Verwirbelung einer Flüssigkeit und der Rückwärtsstrom erzeugt wird, wenn das Fluid in einem turbulenten Strömungsregime ist. [2] Die sich bewegende Flüssigkeit erzeugt auf der stromabwärtigen Seite des Objekts einen Raum ohne stromabwärts fließende Flüssigkeit. Flüssigkeit hinter dem Hindernis fließt in den Hohlraum und erzeugt an jeder Kante des Hindernisses einen Flüssigkeitswirbel, gefolgt von einem kurzen Rückfluss von Flüssigkeit hinter dem stromaufwärts fließenden Hindernis in Richtung der Rückseite des Hindernisses. Dieses Phänomen wird natürlich hinter großen austretenden Gesteinen in schnell fließenden Flüssen beobachtet.

Wirbel und Wirbel in der Technik [ Bearbeiten ]

Die Neigung eines Fluids zum Verwirbeln wird verwendet, um eine gute Kraftstoff / Luft-Mischung in Verbrennungsmotoren zu fördern.

In der Strömungsmechanik und bei Transportphänomenen ist ein Wirbel keine Eigenschaft der Flüssigkeit, sondern eine heftige Wirbelbewegung, die durch die Position und Richtung der turbulenten Strömung verursacht wird. [3]

Ein Diagramm, das die Geschwindigkeitsverteilung eines Fluids zeigt, das sich durch ein kreisförmiges Rohr bewegt, für laminare Strömung (links), turbulente Strömung, zeitgemittelte (Mitte) und turbulente Strömung, sofortige Darstellung (rechts)

Reynoldszahl und Turbulenzen [ Bearbeiten ]

Reynolds-Experiment (1883). Osborne Reynolds stand neben seinem Apparat.

1883 führte der Wissenschaftler Osborne Reynolds ein fluiddynamisches Experiment mit Wasser und Farbstoff durch, bei dem er die Geschwindigkeiten der Flüssigkeiten anpasste und den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung beobachtete, der durch die Bildung von Wirbeln und Wirbeln gekennzeichnet war. [4] Turbulente Strömung ist definiert als die Strömung, in der die Trägheitskräfte des Systems gegenüber den viskosen Kräften dominieren. Dieses Phänomen wird durch die Reynolds-Zahl beschrieben , eine Zahl ohne Einheit, mit der bestimmt wird, wann eine turbulente Strömung auftritt. Konzeptionell ist die Reynoldszahl das Verhältnis zwischen Trägheitskräften und viskosen Kräften. [5]

Schlieren-Foto, das die thermische Konvektionsfahne zeigt, die von einer gewöhnlichen Kerze in stiller Luft aufsteigt. Die Wolke ist anfangs laminar, aber der Übergang zur Turbulenz erfolgt im oberen Drittel des Bildes. Das Bild wurde mit einem Schlierenspiegel von Gary Settles mit einem Durchmesser von einem Meter aufgenommen.

Die allgemeine Form für die Reynolds-Zahl, die durch ein Rohr mit dem Radius r (oder Durchmesser d) fließt:

Dabei ist v die Geschwindigkeit des Fluids, ρ seine Dichte , r der Radius des Rohrs und μ die Viskosität des Fluids. Eine turbulente Strömung in einem Fluid wird durch die kritische Reynolds-Zahl definiert, für ein geschlossenes Rohr entspricht dies ungefähr

In Bezug auf die kritische Reynoldszahl wird die kritische Geschwindigkeit als dargestellt

Forschung und Entwicklung [ Bearbeiten ]

Computational Fluid Dynamics [ Bearbeiten ]

Dies sind Turbulenzmodelle, bei denen die Reynolds-Spannungen, wie sie aus einer Reynolds-Mittelung der Navier-Stokes-Gleichungen erhalten werden , durch eine lineare konstitutive Beziehung zum mittleren Strömungsdehnungsfeld modelliert werden, wie:

wo

  •  ist der Koeffizient, der als Turbulenz "Viskosität" bezeichnet wird (auch als Wirbelviskosität bezeichnet).
  • ist die mittlere turbulente kinetische Energie
  •  ist die mittlere Dehnungsrate
Beachten Sie, dass die Einbeziehung in die lineare konstitutive Beziehung für Zwecke der Tensorialalgebra erforderlich ist, wenn nach Turbulenzmodellen mit zwei Gleichungen (oder einem anderen Turbulenzmodell, das eine Transportgleichung für löst, gelöst wird  . [6]

Hämodynamik [ Bearbeiten ]

Hämodynamik ist die Untersuchung des Blutflusses im Kreislaufsystem. Der Blutfluss in geraden Abschnitten des Arterienbaums ist typischerweise laminar (hohe, gerichtete Wandspannung), aber Äste und Krümmungen im System verursachen einen turbulenten Fluss. [2] Der turbulente Fluss im Arterienbaum kann eine Reihe von Auswirkungen haben, darunter atherosklerotische Läsionen, postoperative neointimale Hyperplasie, In-Stent-Restenose, Versagen des Venenbypass-Transplantats, Transplantatvaskulopathie und Verkalkung der Aortenklappe.


Industrielle Prozesse [ Bearbeiten ]

Die Auftriebs- und Widerstandseigenschaften von Golfbällen werden durch die Manipulation von Grübchen entlang der Oberfläche des Balls angepasst, sodass sich der Golfball weiter und schneller in der Luft bewegen kann. [7] [8] Die Daten aus turbulenten Strömungsphänomenen wurden verwendet, um verschiedene Übergänge in Flüssigkeitsströmungsregimen zu modellieren, mit denen Flüssigkeiten gründlich gemischt und Reaktionsraten in industriellen Prozessen erhöht werden. [9]

Flüssigkeitsströme und Verschmutzungsbekämpfung [ Bearbeiten ]

Ozeanische und atmosphärische Strömungen übertragen Partikel, Trümmer und Organismen auf der ganzen Welt. Während der Transport von Organismen wie Phytoplankton für die Erhaltung von Ökosystemen unerlässlich ist, werden Öl und andere Schadstoffe im Stromfluss ebenfalls gemischt und können Verschmutzungen tragen, die weit von ihrem Ursprung entfernt sind. [10] [11] Wirbelformationen zirkulieren Müll und andere Schadstoffe in konzentrierte Gebiete, die Forscher verfolgen, um die Reinigung und die Vermeidung von Umweltverschmutzung zu verbessern. Die Verteilung und Bewegung von Kunststoffen, die durch Wirbelformationen in natürlichen Gewässern verursacht werden, kann mithilfe von Lagrange-Transportmodellen vorhergesagt werden. [12] Mesoskalige Ozeanwirbel spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Wärme nach oben sowie bei der Aufrechterhaltung von Wärmegradienten in verschiedenen Tiefen.[13]

Umweltströme [ Bearbeiten ]

Die Modellierung der Wirbelentwicklung in Bezug auf Turbulenzen und Schicksalstransportphänomene ist für das Verständnis von Umweltsystemen von entscheidender Bedeutung. Durch das Verständnis des Transports sowohl partikulärer als auch gelöster Feststoffe in Umweltströmen können Wissenschaftler und Ingenieure Sanierungsstrategien für Verschmutzungsereignisse effizient formulieren. Wirbelformationen spielen eine wichtige Rolle beim Schicksal und Transport von gelösten Stoffen und Partikeln in Umweltströmen wie Flüssen, Seen, Ozeanen und der Atmosphäre. Das Aufschwellen in geschichteten Küstenmündungen erfordert die Bildung dynamischer Wirbel, die Nährstoffe unter der Grenzschicht unter Bildung von Federn verteilen. [14]Flachwasser wie das entlang der Küste spielt aufgrund der Nähe der vom Wind angetriebenen oberen Grenze und der unteren Grenze in der Nähe des Grundwasserkörpers eine komplexe Rolle beim Transport von Nährstoffen und Schadstoffen. [fünfzehn]

Mesoscale Ocean Eddies [ Bearbeiten ]

Gegen den Wind von Hindernissen, in diesem Fall auf Madeira und den Kanarischen Inseln vor der westafrikanischen Küste, erzeugen Wirbel turbulente Muster, die als Wirbelstraßen bezeichnet werden.

Wirbel sind im Ozean häufig und haben einen Durchmesser von Zentimetern bis Hunderten von Kilometern. Die Wirbel im kleinsten Maßstab können einige Sekunden lang anhalten, während die größeren Merkmale Monate bis Jahre bestehen bleiben können.

Wirbel mit einem Durchmesser zwischen 10 und 500 km (6,2 und 310,7 Meilen), die über Tage bis Monate andauern, werden in der Ozeanographie als mesoskalige Wirbel bezeichnet. [16]

Mesoskalige Wirbel können in zwei Kategorien unterteilt werden: statische Wirbel, die durch das Umströmen eines Hindernisses verursacht werden (siehe Animation), und vorübergehende Wirbel, die durch barokline Instabilität verursacht werden.

Wenn der Ozean einen Höhengradienten der Meeresoberfläche enthält, erzeugt dies einen Strahl oder eine Strömung, wie beispielsweise den antarktischen Zirkumpolarstrom. Diese Strömung als Teil eines baroklin instabilen Systems schlängelt sich und erzeugt Wirbel (ähnlich wie ein sich schlängelnder Fluss einen Ochsenbogensee bildet). Diese Arten von mesoskaligen Wirbeln wurden unter anderem in vielen wichtigen Meeresströmungen beobachtet, darunter im Golfstrom, im Agulhas-Strom, im Kuroshio-Strom und im antarktischen Zirkumpolarstrom.

Mesoskalige Ozeanwirbel sind durch Strömungen gekennzeichnet, die in einer ungefähr kreisförmigen Bewegung um die Mitte des Wirbels fließen. Der Rotationssinn dieser Ströme kann entweder zyklonisch oder antizyklonisch sein (wie Haida Eddies ). Ozeanische Wirbel bestehen normalerweise auch aus Wassermassen, die sich von denen außerhalb des Wirbels unterscheiden. Das heißt, das Wasser innerhalb eines Wirbels hat normalerweise andere Temperatur- und Salzgehaltseigenschaften als das Wasser außerhalb des Wirbels. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Wassermasseneigenschaften eines Wirbels und seiner Rotation. Warme Wirbel drehen sich antizyklonisch, während kalte Wirbel zyklonisch drehen.

Da mit Wirbeln möglicherweise eine starke Zirkulation verbunden ist, sind sie für See- und Handelsoperationen auf See von Belang. Da Wirbel während ihrer Bewegung ungewöhnlich warmes oder kaltes Wasser transportieren, haben sie außerdem einen wichtigen Einfluss auf den Wärmetransport in bestimmten Teilen des Ozeans.

Siehe auch [ Bearbeiten ]

  • Wirbeldiffusion
  • Haida Eddies
  • Reynolds-Zahl - eine dimensionslose Konstante, die verwendet wird, um den Beginn turbulenter Strömungen vorherzusagen
  • Reynolds-Experiment
  • Kármán Wirbelstraße
  • Whirlpool
  • Wirbelwind
  • Flusswirbel in Wildwasser
  • Turbulenzen wecken
  • Computational Fluid Dynamics
  • Laminare Strömung
  • Hämodynamik
  • Modons oder Dipolwirbelpaare .

Referenzen [ bearbeiten ]

  1. ^ Tansley, Claire E.; Marshall, David P. (2001). "Strömung an einem Zylinder in einem Flugzeug vorbei, mit Anwendung auf die Trennung des Golfstroms und den antarktischen Zirkumpolarstrom" (PDF) . Zeitschrift für Physikalische Ozeanographie . 31 (11): 3274–3283. Bibcode : 2001JPO .... 31.3274T . doi : 10.1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2 . Archiviert vom Original (PDF) am 01.04.2011.
  2. ^ a b Chiu, Jeng-Jiann; Chien, Shu (2011-01-01). "Auswirkungen eines gestörten Flusses auf das Gefäßendothel: Pathophysiologische Grundlagen und klinische Perspektiven" . Physiologische Bewertungen . 91 (1): 327–387. doi : 10.1152 / physrev.00047.2009 . ISSN 0031-9333 . PMC 3844671 . PMID 21248169 .   
  3. ^ Lightfoot, R. Byron Bird; Warren E. Stewart; Edwin N. (2002). Transportphänomene (2. Aufl.). New York, NY [ua]: Wiley. ISBN 0-471-41077-2.
  4. ^ Kambe, Tsutomu (2007). Elementare Strömungsmechanik . World Scientific Publishing Co. Pte. S.  240 . ISBN 978-981-256-416-0.
  5. ^ "Druck" . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Abgerufen am 12.02.2017 .
  6. ^ "Lineare Wirbelviskositätsmodelle - CFD-Wiki, die freie CFD-Referenz" . www.cfd-online.com . Abgerufen am 12.02.2017 .
  7. ^ Arnold, Douglas. "Der Flug eines Golfballs" (PDF) .
  8. ^ "Warum sind Golfbälle mit Noppen versehen?" . math.ucr.edu . Abgerufen am 12.02.2017 .
  9. ^ Dimotakis, Paul. "Der Mischungsübergang in turbulenten Strömungen" (PDF) . California Institute of Technology Informationstechnologiedienstleistungen .
  10. ^ "Meeresströmungen treiben Phytoplankton und Umweltverschmutzung rund um den Globus schneller als gedacht" . Science Daily . 16. April 2016 . Abgerufen am 12.02.2017 .
  11. ^ "Ozeanverschmutzung" . Nationale ozeanische und atmosphärische Verwaltung .
  12. ^ Täglich, Juliette; Hoffman, Matthew J. (2020-05-01). "Modellierung des dreidimensionalen Transports und der Verteilung mehrerer mikroplastischer Polymertypen im Eriesee" . Bulletin zur Meeresverschmutzung . 154 : 111024. doi : 10.1016 / j.marpolbul.2020.111024 . ISSN 0025-326X . PMID 32319887 .  
  13. ^ "Ocean Mesoscale Eddies - Geophysical Fluid Dynamics Laboratory" . www.gfdl.noaa.gov . Abgerufen am 12.02.2017 .
  14. ^ Chen, Zhaoyun; Jiang, Yuwu; Wang, Jia; Gong, Wenping (23.07.2019). "Einfluss einer Flussfahne auf die Dynamik des Küstenaufschwungs: Bedeutung der Schichtung" . Zeitschrift für Physikalische Ozeanographie . 49 (9): 2345–2363. doi : 10.1175 / JPO-D-18-0215.1 . ISSN 0022-3670 . 
  15. ^ Roman, F.; Stipcich, G.; Armenio, V.; Inghilesi, R.; Corsini, S. (01.06.2010). "Große Wirbelsimulation des Mischens in Küstengebieten" . Internationale Zeitschrift für Wärme- und Flüssigkeitsströmung . Sechstes Internationales Symposium über Turbulenz- und Scherströmungsphänomene. 31 (3): 327–341. doi : 10.1016 / j.ijheatfluidflow.2010.02.006 . ISSN 0142-727X . 
  16. ^ Tansley, Claire E.; Marshall, David P. (2001). "Strömung an einem Zylinder auf einer β-Ebene vorbei, mit Anwendung auf die Trennung des Golfstroms und den zirkumpolaren Strom der Antarktis". Zeitschrift für Physikalische Ozeanographie . 31 (11): 3274–3283. Bibcode : 2001JPO .... 31.3274T . doi : 10.1175 / 1520-0485 (2001) 031 <3274: FPACOA> 2.0.CO; 2 . ISSN 1520-0485 . S2CID 130455873 .