Новосибирские физики исследуют явления в вихрях

Вихри — течение жидкости, когда совершается круговое движение вокруг воображаемой оси, — можно наблюдать на самых разных уровнях: это и «буря» в стакане, и разрушительные торнадо, и даже процессы в космосе. Несмотря на свою распространенность, явление мало изучено — о том, как его исследуют в Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, рассказал академик Сергей Владимирович Алексеенко на VI всероссийской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках».

В динамике вихря можно выделить множество процессов, которые интересны ученым. Специалисты ИТ СО РАН моделировали их в специальном устройстве — вихревой камере, форму дна и верхней выходной диафрагмы которой можно дополнительно регулировать. Это помогло выяснить, что на формирование концентрированного вихря (типа вихревой нити) сильно влияют внешние условия: так, смещение выходного отверстия приводит к тому, что вихревая нить искажается и приобретает неподвижную спиралевидную ось, вокруг которой происходит движение сплошной среды. Исследователей интересует и другое малоизученное явление — распад вихря: выделяется до восьми видов этого процесса (например, вихрь может резко расшириться и ослабеть или слишком сильно отклониться от своей оси).

— Изменив конфигурацию камеры, мы случайно обнаружили, что вихрь способен разделиться на два переплетенных в пространстве, — рассказал Сергей Владимирович. — Получается, что мы рассматриваем фундаментальное явление, но в то же время используем технические условия. Подобные вещи описаны мало: исследования ведутся больше пятидесяти лет, но за это время появилось не больше десяти аналогичных экспериментов, поэтому любые новые данные крайне важны.

Процесс, которому специалисты ИТ СО РАН уделили наибольшее внимание, — так называемое перезамыкание вихря. Его можно заметить и в обычной жизни, наблюдая за конденсационным следом самолета: две «дорожки» вращаются в разные стороны, но на некотором расстоянии из-за неустойчивости они сближаются — происходит перезамыкание, в результате образуется нечто вроде вихревых колец. Именно этим процессом объясняются вспышки на Солнце: магнитные трубки (в которых концентрируется магнитное поле — вдоль их поверхности направлены силовые магнитные линии), выходя на поверхность звезды, перезамыкаются и случается нечто похожее на отрыв вихревого кольца.

— Это очень интересное явление, — отметил Сергей Алексеенко. — Считается, что солнечная активность играет ключевую роль в изменении климата, поэтому изучение такого процесса и его последствий может оказаться принципиально важным для понимания происходящего на Земле.

Даже одно из объяснений, почему Вселенная однородна на крупных масштабах, заключается в том, что на начальных этапах мир представлял собой вихревую трубку — за счет перезамыканий появлялось все больше и больше степеней свободы. А галактики возникали на поверхности вихревой трубки, где концентрировалась материя. Впрочем, этим явлением можно ответить и на более простые вопросы: например, ученые полагают, что глухой стук, нередко возникающий в отсасывающих трубах гидротурбин на гидроэлектростанциях, может быть следствием того, что «оторвавшееся» кольцо, получившееся в результате перезамыкания, ударяется о твердую стенку.

«Наука в Сибири»

Источник: www.sbras.info