Warum koaleszieren gleichläufige Wirbel, nicht aber gegenläufige?

Beim Studium der Aerodynamik moderner Flugzeuge, die mit Hochauftriebsvorrichtungen ausgestattet sind, habe ich entdeckt, dass im unmittelbaren Nachlauf eines Flugzeugs im Flug eine ganze Reihe von ausgeprägten Schleppwirbeln vorhanden sind (z. B. außerhalb der Außenkante der Klappe, der Flügelspitze usw ). Es gelingt ihnen jedoch immer, sich nach wenigen Sekunden zu einem einsamen Wirbelpaar zusammenzurollen (siehe unten).

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Warum verschmelzen die einzelnen Wirbelkerne in unmittelbarer Nähe miteinander? Dieses Phänomen scheint nur dann aufzutreten, wenn die Wirbel in die gleiche Richtung rotieren.

Nicht genug für eine vollständige Antwort - betrachten Sie das Druckfeld zwischen dem Wirbelpaar und dem Druck außerhalb davon. Sie erhalten einen Venturi-Effekt - der gleiche Grund, warum zwei Boote, die sich nebeneinander bewegen, zusammengesaugt werden.
Dies kann eindeutig nicht die ganze Geschichte sein (wenn überhaupt), weil gegenläufige Wirbel nicht verschmelzen.
Was zum Teufel ist auf dem Bild los?
@ user2357112 Ein maßstabsgetreues Modell eines Flugzeugs bewegt sich entlang einer Schiene in einem Tunnel. In der Luft sind winzige Partikel verteilt, die von einer Laserfolie senkrecht zur Bewegungsrichtung beleuchtet werden.
Ah, der Teil, an dem es so aussieht, als ob die Wolken um sich schlagen und das Flugzeug zerquetschen, ist tatsächlich das Flugzeug, das sich durch die Laserfolie bewegt und von den beleuchteten Partikeln verdeckt wird.

Antworten (2)

Intuitiver Beginn einer Antwort:

Wenn Sie gegenläufige Wirbel haben, haben sie einen Nettodrehimpuls von Null (in erster Ordnung). Wenn sie verschmolzen wären, müssten sie keine Bewegung haben -> wohin ging die Energie. Zwischen den beiden Rotationsachsen bewegt sich die Flüssigkeit in die gleiche Richtung und hat keinen Mechanismus zur Dissipation.

Im Gegensatz dazu bewegen sich bei zwei Wirbeln mit gleicher Drehrichtung die dazwischen liegenden Fluide in entgegengesetzte Richtungen. Sie heben sich auf, und so bleibt nur die Wirbel um die Außenseite der beiden herum, die sie verschmelzen lässt.

Wie gesagt - intuitiver Anfang einer Antwort: Ich hoffe, jemand anderes kann darauf aufbauen.

"Sie heben sich auf und das hinterlässt nur die Wirbel um die Außenseite der beiden, die sie verschmelzen lassen." Dies ist der Teil, in den ich nach einem tieferen Einblick suche. Der Satz von Helmholtz kann die Netto-Wirbelkraft/Winkelimpuls des verschmolzenen Wirbels sehr genau vorhersagen, aber warum kommen sie zusammen?
Ich denke auch, dass, wenn ein Wirbel erheblich stärker ist als der andere, der größere den kleineren während des Prozesses um sich selbst konvektieren kann, wodurch die beiden verschmelzen.
Ich nicke Floris zu (leider kann ich nur eines geben), aber Mike bekommt definitiv eine Unterstützung bei diesem. Danke auch an MSalters!!!

Denn wo sie dicht beieinander liegen, zirkuliert die Luft dazwischen so, dass sie sich auf einem einzigen Weg vereinen.

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Floris hat Recht, aber vielleicht hilft dieses Bild weiter.

Wie genau bewirkt das, dass ein Wirbel vom anderen subsumiert wird? Und was passiert, wenn sie gleich stark sind?
@BrysonS. Subsumtion vergessen. Sie verschmelzen einfach, weil jedes kleine Luftpaket einem Weg folgt.
Es tut mir leid, aber ich brauche wirklich mehr Details als das. Eine etwas strengere, weniger mit der Hand winkende Reaktion Ihrerseits wäre sehr wünschenswert (obwohl Ihre beigefügte Grafik das grundlegende Problem gut veranschaulicht).
@BrysonS. Überprüfen Sie dann die Antwort von Floris. Es ist eine einfache Frage der Erhaltung der Vorticity (dh des Drehimpulses) und der kinetischen Energie.
Wenn es so einfach wäre, warum sollten die beiden Wirbel dann nicht getrennt und auf unbestimmte Zeit bestehen bleiben? Auch in diesem Fall würde das Momentum erhalten bleiben. Es muss ein tieferes Prinzip am Werk sein, das erklärt, warum ein System aus mehreren gleichläufigen Wirbeln instabil ist.
@BrysonS: Nun, wie ich schon sagte, wenn sie sich nähern, wird es eine Gegenrotation zwischen ihnen geben. Dadurch wird die Strömung von jedem Wirbel zum anderen umgeleitet. Wenn Sie nach einer mathematischen Beschreibung dieses Prozesses suchen, sollten Sie sie vielleicht erforschen oder noch besser konstruieren. Für den anderen Fall, gegenläufige Wirbel, verschmelzen sie nicht, weil die Physik offensichtlich ist, wie Floris betonte.
Ich denke, der Prozess, den Sie oben mit einer stagnierenden Region zwischen den Wirbelkernen und einem Flüssigkeitsaustausch zwischen den Wirbeln dargestellt haben, ist sehr vielversprechend. Ich werde mir die Sache über Nacht genau überlegen
Sehen Sie sich auch den Bereich zwischen den beiden Wirbeln an. In Mikes Beispiel gibt es eine enorme Scherung. Die Abwärtsbewegung rechts geschieht sehr nah an der Aufwärtsbewegung links. Das ist keine stabile Situation. Die beiden Strömungen werden interferieren, sich verlangsamen, turbulent werden, und als Ergebnis wird die Luft dort stationär - der Kern des neuen Einzelwirbels. In der ursprünglichen Frage ist die Strömung in der Mitte eindeutig nach unten gerichtet, und dies ist ein stabiles Muster.
@MSalters Ich glaube, "viskoses Scheren" ist genau das, wonach das OP sucht; Sie sollten es als Antwort posten.
@MikeDunlavey - tolles Bild. Ich schrieb meine Antwort auf ein Telefon (schwer zu zeichnen) und hoffte, dass jemand sie von dort übernehmen würde. Du machtest.
Ein Wirbelkern hat also Vorticity, aber eine vernachlässigbare Tangentialgeschwindigkeit. Der Kollisions-/Scherbereich zwischen den beiden Wirbeln erzeugt eine stagnierende Strömung, und diese Strömung dient als Grundlage für einen neuen, größeren Kern? Ich denke, das macht Sinn, da die neue stagnierende Strömung aufgrund der Viskosität und der Rotation der ursprünglichen Kerne zu rotieren beginnt ...
@BrysonS: Jetzt bin ich derjenige, der skeptisch ist :) Jeder Wirbel muss einen zentralen Bereich mit niedrigem Druck haben, damit der Druckgradient die Radialbeschleunigung liefert, die ihn kreisförmig hält. Wenn die Wirbel also nahe beieinander liegen, haben die Druckgradienten zu überlagern und die Pfade der Partikel zu beeinflussen. Aber das Problem ist, wenn das der einzige Effekt wäre, dann würden auch gegenläufige Wirbel verschmelzen. Hmmm...
@Mike Dunlavey Nicht unbedingt, denn wir müssen neben der Dynamik auch die Kinematik berücksichtigen. Sicherlich möchten die Kerne gegenläufiger Wirbel verschmelzen, aber sie können es nicht, weil sich zwischen ihnen eine Wand aus Flüssigkeit bewegt. Dies würde erklären, warum die beiden letzten Wirbel nicht koaleszieren.
@BrysonS: Ich habe gerade "Vortex Merging" gegoogelt und eine Menge hochwertiger Sachen aufgetaucht!
Ich nicke Floris zu (leider kann ich nur eines geben), aber Mike bekommt definitiv eine Unterstützung bei diesem. Danke auch an MSalters!!!
@Mike Dunlavey Interessanterweise legt das folgende Papier von Josserand nahe, dass die Zirkulation des letzten Wirbels NICHT gleich der Zirkulation der ursprünglichen beiden Wirbel ist. Er hat die DNS-Simulation ziemlich rigoros verwendet, daher habe ich Grund zu der Annahme, dass seine Schlussfolgerung richtig ist (obwohl ich sie nicht verstehe). www.lmm.jussieu.fr/~josseran/papier/merging.pdf
@BrysonS: Das ist eine großartige Frage, die du gestellt hast. In meiner Pilotenausbildung wurde mir beigebracht, sehr auf „Wake Turbulence“ zu achten – diese unsichtbaren Wirbel, die von den Flügelspitzen schwerer Flugzeuge kommen.
Warum koaleszieren gleichläufige Wirbel, nicht aber gegenläufige?
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