Eddy (fluidodinamica) - Eddy (fluid dynamics)

Una strada vorticosa intorno a un cilindro. Ciò può verificarsi attorno a cilindri e sfere, per qualsiasi fluido, dimensione del cilindro e velocità del fluido, a condizione che il flusso abbia un numero di Reynolds compreso tra ~40 e ~1000.

In fluidodinamica , un vortice è il vortice di un fluido e la corrente inversa creata quando il fluido è in un regime di flusso turbolento. Il fluido in movimento crea uno spazio privo di fluido che scorre a valle sul lato a valle dell'oggetto. Il fluido dietro l'ostacolo fluisce nel vuoto creando un vortice di fluido su ciascun bordo dell'ostacolo, seguito da un breve flusso inverso di fluido dietro l'ostacolo che scorre a monte, verso la parte posteriore dell'ostacolo. Questo fenomeno si osserva naturalmente dietro grandi rocce emergenti nei fiumi a flusso rapido.

Turbinio e vortici in ingegneria

La propensione di un fluido a vorticare viene utilizzata per promuovere una buona miscelazione aria/carburante nei motori a combustione interna.

Nella meccanica dei fluidi e nei fenomeni di trasporto , un vortice non è una proprietà del fluido, ma un violento moto vorticoso causato dalla posizione e dalla direzione del flusso turbolento.

Un diagramma che mostra la distribuzione della velocità di un fluido che si muove attraverso un tubo circolare, per flusso laminare (sinistra), flusso turbolento, media temporale (centro) e flusso turbolento, rappresentazione istantanea (destra)

Numero di Reynolds e turbolenza

Esperimento di Reynolds (1883). Osborne Reynolds in piedi accanto al suo apparecchio.

Nel 1883, lo scienziato Osborne Reynolds condusse un esperimento di fluidodinamica che coinvolgeva acqua e colorante, dove registrò le velocità dei fluidi e osservò la transizione dal flusso laminare a quello turbolento, caratterizzato dalla formazione di vortici e vortici. Il flusso turbolento è definito come il flusso in cui le forze inerziali del sistema sono dominanti sulle forze viscose. Questo fenomeno è descritto dal numero di Reynolds , un numero senza unità utilizzato per determinare quando si verificherà un flusso turbolento. Concettualmente, il numero di Reynolds è il rapporto tra le forze inerziali e le forze viscose.

Fotografia di Schlieren che mostra il pennacchio di convezione termica che sale da una normale candela in aria ferma. Il pennacchio è inizialmente laminare, ma la transizione alla turbolenza avviene nell'1/3 superiore dell'immagine. L'immagine è stata realizzata utilizzando uno specchio schlieren di un metro di diametro da Gary Settles.

La forma generale per il numero di Reynolds che scorre attraverso un tubo di raggio r (o diametro d):

dove v è la velocità del fluido, ρ è la sua densità , r è il raggio del tubo, e μ è la viscosità del fluido. Un flusso turbolento in un fluido è definito dal numero di Reynolds critico, per un tubo chiuso questo equivale a circa

In termini di numero di Reynolds critico, la velocità critica è rappresentata come

Ricerca e sviluppo

Fluidodinamica computazionale

Questi sono modelli di turbolenza in cui le sollecitazioni di Reynolds, ottenute da una media di Reynolds delle equazioni di Navier-Stokes , sono modellate da una relazione costitutiva lineare con il campo di deformazione del flusso medio, come:

dove

  •  è il coefficiente chiamato turbolenza "viscosità" (chiamato anche la viscosità eddy)
  • è l'energia cinetica turbolenta media
  •  è la media velocità di deformazione
Si noti che l'inclusione di nella relazione costitutiva lineare è richiesta dagli scopi dell'algebra tensoriale quando si risolvono modelli di turbolenza a due equazioni (o qualsiasi altro modello di turbolenza che risolva un'equazione di trasporto per  .

Emodinamica

L'emodinamica è lo studio del flusso sanguigno nel sistema circolatorio. Il flusso sanguigno nelle sezioni diritte dell'albero arterioso è tipicamente laminare (sollecitazione della parete elevata e diretta), ma rami e curvature nel sistema causano un flusso turbolento. Il flusso turbolento nell'albero arterioso può causare una serie di effetti preoccupanti, tra cui lesioni aterosclerotiche, iperplasia neointimale postchirurgica, restenosi nello stent, fallimento dell'innesto di bypass venoso, vasculopatia da trapianto e calcificazione della valvola aortica.


Processi industriali

Le proprietà di sollevamento e trascinamento delle palline da golf sono personalizzate dalla manipolazione delle fossette lungo la superficie della pallina, consentendo alla pallina da golf di viaggiare più lontano e più velocemente nell'aria. I dati dei fenomeni di flusso turbolento sono stati utilizzati per modellare diverse transizioni nei regimi di flusso dei fluidi, che vengono utilizzati per miscelare accuratamente i fluidi e aumentare le velocità di reazione all'interno dei processi industriali.

Correnti fluide e controllo dell'inquinamento

Le correnti oceaniche e atmosferiche trasferiscono particelle, detriti e organismi in tutto il mondo. Mentre il trasporto di organismi, come il fitoplancton , è essenziale per la conservazione degli ecosistemi, anche il petrolio e altri inquinanti si mescolano nel flusso attuale e possono portare l'inquinamento lontano dalla sua origine. Formazioni di vortici fanno circolare rifiuti e altri inquinanti in aree concentrate che i ricercatori stanno monitorando per migliorare la pulizia e la prevenzione dell'inquinamento. La distribuzione e il movimento della plastica causati dalle formazioni di vortici nei corpi idrici naturali possono essere previsti utilizzando modelli di trasporto lagrangiani. I vortici oceanici su mesoscala svolgono un ruolo cruciale nel trasferimento del calore verso i poli, oltre a mantenere i gradienti di calore a diverse profondità.

Flussi ambientali

La modellizzazione dello sviluppo dei vortici, in relazione alla turbolenza e ai fenomeni di trasporto del destino, è fondamentale per comprendere i sistemi ambientali. Comprendendo il trasporto del particolato e dei solidi disciolti nei flussi ambientali, scienziati e ingegneri saranno in grado di formulare in modo efficiente strategie di bonifica per gli eventi di inquinamento. Le formazioni di vortici svolgono un ruolo vitale nel destino e nel trasporto di soluti e particelle nei flussi ambientali come fiumi, laghi, oceani e atmosfera. La risalita negli estuari costieri stratificati garantisce la formazione di vortici dinamici che distribuiscono i nutrienti da sotto lo strato limite per formare pennacchi. Le acque poco profonde, come quelle lungo la costa, svolgono un ruolo complesso nel trasporto di nutrienti e inquinanti a causa della vicinanza del limite superiore spinto dal vento e del limite inferiore vicino al fondo del corpo idrico.

Vortici oceanici su mesoscala

Sottovento di ostacoli, in questo caso, Madeira e le Isole Canarie al largo della costa occidentale dell'Africa, i vortici creano modelli turbolenti chiamati strade vorticose.

I vortici sono comuni nell'oceano e hanno un diametro compreso tra centimetri e centinaia di chilometri. I vortici di scala più piccola possono durare pochi secondi, mentre le caratteristiche più grandi possono persistere per mesi o anni.

I vortici che hanno un diametro compreso tra circa 10 e 500 km (6,2 e 310,7 miglia) e persistono per periodi da giorni a mesi sono noti in oceanografia come vortici su mesoscala.

I vortici mesoscala possono essere suddivisi in due categorie: vortici statici, causati dal flusso attorno a un ostacolo (vedi animazione), e vortici transitori, causati dall'instabilità baroclina.

Quando l'oceano contiene un gradiente di altezza della superficie del mare, questo crea un getto o una corrente, come la corrente circumpolare antartica. Questa corrente come parte di un sistema baroclinicamente instabile si snoda e crea vortici (più o meno allo stesso modo in cui un fiume tortuoso forma un lago di bue). Questi tipi di vortici su mesoscala sono stati osservati in molte delle principali correnti oceaniche, tra cui la corrente del Golfo, la corrente di Agulhas, la corrente di Kuroshio e la corrente circumpolare antartica, tra le altre.

I vortici oceanici della mesoscala sono caratterizzati da correnti che scorrono con un movimento approssimativamente circolare attorno al centro del vortice. Il senso di rotazione di queste correnti può essere ciclonico o anticiclonico (come Haida Eddies ). Anche i vortici oceanici sono generalmente costituiti da masse d'acqua diverse da quelle esterne al vortice. Cioè, l'acqua all'interno di un vortice di solito ha caratteristiche di temperatura e salinità diverse dall'acqua all'esterno del vortice. Esiste un legame diretto tra le proprietà della massa d'acqua di un vortice e la sua rotazione. I vortici caldi ruotano in modo anticiclonico, mentre i vortici freddi ruotano in modo ciclonico.

Poiché i vortici possono avere una circolazione vigorosa associata a loro, sono fonte di preoccupazione per le operazioni navali e commerciali in mare. Inoltre, poiché i vortici trasportano acqua calda o fredda in modo anomalo mentre si muovono, hanno un'influenza importante sul trasporto di calore in alcune parti dell'oceano.

Guarda anche

Riferimenti