典型的旋涡是半径很小的圆柱在静止流体中旋转,引起周围流体做圆周运动的流动现象。一般旋涡内部有一涡量的密集区,称涡核,其运动类似刚体旋转(见图)。上述圆柱体即相似于旋涡的涡核。在它的外部,流体的圆周速度与半径成反比;在它内部,则与半径成正比;在涡心上,圆周速度为零。
旋涡
流体微团绕一个共同的中心或共同轴线转动的流动现象。
- 英文名称
- vortex
- 所属学科
- 航空宇航科学与技术
流速场的旋度不为零的流场称为有旋流场,其流动称为有旋流,常用涡线、涡管和涡丝来描述。某时刻的一条涡线应具有的性质,是在任何一点的切线方向就是该瞬时当地旋度向量的方向。若通过一条简单封闭曲线上的每一点画出涡线,且每一条涡线与该封闭曲线只有一个交点,就得到一根涡管。截面积甚小的涡管为涡丝。在均质无黏性、不可压缩流体中,涡丝具有的特性为:①涡丝可能会自行封闭(涡环)、终止于边界上及无限延伸,但不会在流体内部终止。②绕涡丝的环量处处相同,且不随时间而变化。③涡丝总是由同一组流体质点组成并随流体运动。
与一条无限长直涡丝(称二维位涡)相伴随,其周围流体运动的速度场称为该涡丝的诱导速度场。流体的旋涡运动是自然界的常见现象,如龙卷风。旋涡是飞行器绕流中的重要流动现象,其概念在机翼及旋翼理论中得到广泛应用。对飞行器的空气动力特性有重要影响。
用无黏性理想流体理论研究机翼绕流时,需要运用许多理想旋涡的概念。如涡核半径为零的集中涡(或线涡),涡心上速度为无穷大;由无数集中涡排列而成的涡面,是切向速度的不连续面;在定常流动中,涡轴与气流速度方向一致的涡线为自由涡,否则为附着涡;在流场中不承受压差的涡面称为自由涡面,否则为附着涡面。这些理想旋涡是有限翼展机翼升力线理论和升力面理论的基础。
实际流场中的旋涡有脱体涡和尾迹涡。
对于小展弦比大后掠三角翼绕流,在较小迎角(3°~4°)下,因下翼面高压气流绕过侧缘流向上表面,将会在侧缘产生分离,在上翼面形成脱体涡(前缘涡)。脱体涡属于自由涡,在往下游的方向上旋涡强度不断加强,直到成为尾迹涡为止;从分离线脱出后,涡层末端卷成具有涡核的旋涡。脱体涡的出现将对上翼面产生更大的负压,从而造成更大的升力,这个升力常称为涡升力。旋涡破裂后,突然扩散,形成湍流团。翼表面上方旋涡破裂后,升力突然下降,压力中心前移。
尾迹涡如二维圆柱绕流背风面的脱体涡,其中包括著名的卡门涡街、机翼后缘开始卷起的旋涡等。在一定距离后,机翼尾迹涡逐渐卷成一对具有涡核的旋涡(翼梢涡)。此后由于涡量的对流和黏性耗散,旋涡半径逐渐扩大,内部压强和速度逐渐趋近于来流值。大型飞机的尾迹涡可能对处于尾迹区的小型飞机造成灾难性后果。超声速飞行器的尾迹涡可以传播到很远的地方。