涡线是一条曲线,曲线上任意一点的切线方向与在该点的流体的涡量方向一致。
定义
流体静力学的基本概念之一。指某时刻处处与涡量相切的曲线。如果dl是涡线上的微元向量,Ω是涡量,则确定涡线的微分方程是Ω×dl=0。通过非涡线且不自交的封闭曲线各点的所有涡线所组成的管状曲面称为涡管。涡管某截面A上的涡通量为:
n是截面A的单位法向量,其方向沿此截面上涡量所指的方向.此涡通量称为涡管强度。由于涡量Ω的散度一定等于零,涡管强度沿涡管是不变的。涡管不能在流体内部中断。对真实流体来说,涡管也不能起迄于静止的固体边界。
解释
在连续力学中,涡度是描述在某点附近的连续体的局部旋转运动(某物旋转的趋势)的假动力场,如位于该点的观察者所看到的,并伴随着流动。
在概念上,涡度可以通过将所述连接点的一部分标记在所讨论的点的小邻域中,并且当它们沿流动移动时观察它们的相对位移来确定。涡度矢量将是这些粒子相对于其质心的平均角速度矢量的两倍,其根据右手规则定向。这个数量不能与颗粒相对于某个其他点的角速度相混淆。
更准确地说,涡度是一个假动子场ω→,定义为流速u→矢量的卷曲(旋转)。二维流的涡度总是垂直于流的平面,因此可以被认为是标量场。
涡度与(经典)
斯托克斯定理沿着封闭路径的流动循环(速度的线积分)有关。也就是说,对于正常方向n→和面积dA的任何无穷小的表面元素C,沿着C周边的循环dΓ是点积ω→∙(dA n→),其中ω→是C中心的涡度。
许多现象,例如通过空气吹出蜡烛,更容易解释为涡度而不是压力和速度的基本概念。这尤其适用于涡环的形成和运动。
实例
在像刚体一样旋转的连续质量中,
涡度是该旋转角速度矢量的两倍。例如,在恒定速度下已经围绕其垂直轴旋转一段时间的罐中的水的情况。
即使所有颗粒沿着直线和平行的路线流动,如果存在剪切(即,如果流速在流线上变化),则涡度可能非零。例如,在具有恒定横截面的管内的层流中,所有颗粒平行于管的轴线行进;但在该轴附近更快,并且几乎固定在墙壁旁边。涡度在轴上为零,最大值为最大值。
相反,即使流过的颗粒沿着弯曲的轨迹行进,流动也可以具有零涡度。一个例子是理想的非旋转涡流,其中大多数颗粒围绕一些直轴旋转,速度与其与该轴的距离成反比。没有跨越轴线的一小块连续体将以某种方式旋转,但是以相反的方式剪切,使得它们的平均角速度围绕它们的质心是零。
演化
涡度场的演化由涡度方程描述,可以从Navier-Stokes方程得到。
在许多实际流动中,可以忽略
粘度(更确切地说,在具有高
雷诺数的流体中),涡度场可以通过离散涡流的集合很好地建模,除了在轴周围的空间的小区域之外,涡度可忽略不计的涡流。在2-D电势流(即2-D零粘度流)的情况下,这是明显的,在这种情况下,流场可以被建模为复平面上的复值场。
涡度是理解如何扰动理想潜在流量解决方案来模拟实际流量的有用工具。通常,粘度的存在导致涡旋扩散从涡流核心扩散到通常的流场中。该流量由涡度传递方程中的扩散项来解释。因此,在非常粘稠的流动(例如Couette Flow)的情况下,涡流将在整个流场中扩散,并且比在涡度处观察速度场可能更简单。
实际应用
航空
在空气动力学中,有限翼上的升力分布可以通过假设翼的每个段在其后面具有半无穷远的后涡。然后可以使用通过翼的表面没有引起的流动的标准来求解涡流的强度。该过程称为计算
流体动力学的涡流面板方法。然后将涡流的强度相加,以找到关于机翼的总体近似流通。根据Kutta-Joukowski定理,电梯是循环,空速和空气密度的乘积。
大气科学
相对涡度是空气速度场相对于地球的涡度。这通常被建模为平行于地面的二维流,使得相对涡度向量通常垂直于地面,并且然后可以被视为标量,当矢量向上指向时为正,当它向下指向负时。因此,当风逆时针旋转(俯视地球表面)时,涡度是正的。在北半球,正涡度称为旋风旋转,负涡度是反气旋旋转;在南半球的命名是相反的。
从相对于惯性框架的空气流速计算绝对涡度,因此包括由于地球旋转而产生的科罗利斯参数。
潜在涡度是绝对涡度除以恒定熵(或潜在温度)水平之间的垂直间距。如果空气质量在z方向上被拉伸(或压缩),空气质量的绝对涡度将改变,但是在大气中占主导地位的绝热流中,潜在的涡度是保守的。因此,潜在的涡度因此可用作空气质量在几天的时间尺度上的近似示踪剂,特别是当在恒定熵水平下观察时。