Ruch wirowy płynów w przyrodzie oraz w maszynach i urządzeniach : zdjęcia satelitarne, eksperymenty i symulacje komputerowe

Abstract

Czytelnikom tej książki wyjaśniam, że ma ona w znacznej części charakter popularno-naukowy. Matematyka i mechanika płynów są w niej wykorzystane w najprostszej formie, która powinna być znana studentom politechnik, ale i bez tej znajomości książka powinna być zrozumiała dla czytelników, którzy szukają w niej treści fizycznych. Wzory pomagają w rozumieniu tych treści, ale nie są bezwzględnie konieczne. W roku 2005, kiedy powstawała książka, w niektórych krajach położonych bliżej równika niż Polska, szalały tropikalne cyklony, niszczące wszystko na swej drodze. W Polsce stosunkowo rzadko, ale także zdarzają się tzw. trąby powietrzne i też są przyczyną wielu zniszczeń. Nie można zatem, pisząc o ruchu wirowym płynów, nie napisać również o tych zjawiskach, które do ruchu wirowego należą. Stąd w tytule znalazło się określenie „w przyrodzie", bo chodzi między innymi o zjawiska, które budzą duże zainteresowanie czytelników. Wśród czytelników jest wielu takich, którzy obserwowali wirowe zagłębienia na powierzchni płynącej wody za podporami mostowymi, które nie są przyczyną szkód ale są ciekawym zjawiskiem i też należą do ruchu wirowego. Wiele osób obserwowało także wirowy spływ wody z otwartego zbiornika (np. z wanny) i stwierdziło, że jest to ruch niestateczny. O nim także będzie mowa w tej książce. Ruch wirowy w dużej skali jest tematem tej książki. Ten rodzaj ruchu nazywa się także ruchem zawirowanym. Powstaje pytanie, czy ruch płynów jest stateczny? Okazuje się, że płyny w czasie ruchu bardzo szybko tracą stateczność. Z reguły mamy do czynienia z ruchem turbulentnym, który powstaje i rozwija się po utracie stateczności poruszającego się płynu, zwany jest po prostu turbulencją przepływów. Będzie tu głównie rozpatrywany tzw. ruch zawirowany, w którym turbulencja istnieje, i odgrywa ważną rolę. Zastrzeżenie to jest czynione dlatego, że turbulencja ma także strukturę wirową, choć w mniejszej skali. Będzie to uwzględnione w programach komputerowych, jakie są użyte do analizy ruchu wirowego płynów. Rozważania będą prowadzone dla zmiennych pierwotnych, tzn. takich jakie występują w nie przekształconych równaniach podstawowych, czyli dla prędkości, ciśnienia itd. Wiele zjawisk ruchu wirowego zostało rozwiązanych za pomocą istniejących programów komputerowych, dlatego jeden z rozdziałów został tym zagadnieniom poświęcony. Ujęcie to należy zaliczyć także do popularnonaukowych. Książka zawiera także treści odnoszące się do ruchu wirowego płynów w niektórych maszynach i urządzeniach. Chodzi o maszyny przepływowe i o ruch wirowy, który ma w nich miejsce. Istnieją programy komputerowe własne i tzw. komercyjne, które służą do badania przepływu w tych maszynach wraz z różnymi modelami turbulencji. Programy te odpowiadają na wiele pytań związanych z rozkładami prędkości i ciśnień. Wymaga to jednak postawienia warunków brzegowych nie tylko na ściankach, które są oczywiste, ale także na wlocie i wylocie z kanału maszyny, które oczywiste nie są. O ile odległości od osi maszyny są znaczne (co to oznacza, to jest w książce wyjaśnione) to można założyć rozkłady prędkości obwodowej, które są zbliżone do rozkładów potencjalnych, tzn. takich, w których elementy płynu nie wirują wokół własnych osi obrotu. Gdy natomiast kanały wlotowe lub wylotowe obejmują oś maszyny, to tego w stosunku do składowej obwodowej prędkości zrobić nie wolno. Oprócz zagadnień związanych z maszynami są tu omówione niektóre urządzenia wykorzystywane w technice, w których mamy do czynienia z ruchem wirowym płynów. Są to urządzenia wykorzystywane we włókiennictwie do formowania przędz. Są także omówione tzw. rury Ranka, w których skutki ruchu wirowego są wyraźne, bo następuje w nich rozdział powietrza na zimne i gorące. Efekt Ranka może być wykorzystany w różnych zastosowaniach technicznych. Omówione są również wiry w komorach wtryskiwaczy cieczy jeśli to są wtryskiwacze wirowe i strumieniowo-wirowe. Dla urządzeń technicznych stosowano program komputerowy własny i programy CFX zakładając, że przepływ jest ustalony. Model turbulencji użyty w programie komputerowym był nie bez znaczenia. Użyto przy tym zmiennych pierwotnych. Oprócz nich można też stosować tzw. metody wirowe, w których przekształca się równania podstawowe i używa funkcji wirowości oraz funkcji prądu. O metodach tych, które są dość złożone jest w książce wspomniane. Przedostatni rozdział książki jest poświęcony temu, że ruch wirowy w tzw. rdzeniu wiru (w środku) znamienny tym, że występuje w nim prawie liniowy rozkład składowej obwodowej prędkości, jest związany z zasadą wydatkowania jak najmniejszej energii. Ta zasada jest tam przedstawiona. Będą w tym rozdziale przedstawione także inne zasady mechaniki płynów, które są pomocne w wyznaczeniu istotnych wymiarów wiru. Dziękuję za merytoryczną i techniczną pomoc w opracowaniu książki członkom Zakładu Mechaniki Płynów Instytutu Maszyn Przepływowych Politechniki Łódzkiej.