Самоорганизация – эффект Тейлора

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 26Следующая ⇒

       Приведенный пример демонстрирует возникновение упорядоченной структуры в жидкости при взаимодействии двух физических явлений: переноса тепла и переноса вещества. Однако, прохождение через систему нескольких потоков не является, как это может показаться, необходимым условием появления упорядоченной структуры. Примером этому является эффект, известный в литературе под названием неустойчивости Тейлора. Заключается он в следующем: между двух коаксиальных цилиндров, у которых высота много больше большего из диаметров, помещают жидкость, рис.6.7а.

Рис.6.7. Схема опыта Тейлора (а) и падение скорости ламинарного течения с увеличением расстояния от оси цилиндров (б).

Если внутренний цилиндр вращается, а наружный закреплен неподвижно, то вначале неподвижная жидкость вовлекается во вращение поверхностью внутреннего цилиндра. При небольшой угловой скорости внутреннего цилиндра ω , которую также часто выражают с помощью безразмерного критерия – числа Тейлора Ta – через некоторое время после начала вращения в жидкости устанавливается стационарное распределение скоростей (рис.6.7б), соответствующее ламинарному течению (течению Куэтта). Угловая (и линейная) скорости перемещения слоев жидкости плавно меняется от максимального значения вблизи поверхности внутреннего цилиндра до нуля около внутренней поверхности наружного цилиндра. При достижении скоростью вращения внутреннего цилиндра критического значения ω_кр (или при значении числа Тейлора, равным  течение Куэтта становится неустойчивым, и весь объем разбивается на ячейки, имеющих форму тороидальных вихрей, которые носят название вихрей Тейлора. Картина возникновения вихрей Тейлора, образующихся непосредственно в опыте, продемонстрирована на рис.6.8.

                                                                                                а

                                                                                                     б

Рис.6.8. Вихри Тейлора: изображение (a), получено на компьютере, изображение (b) – фотоснимок реального опыта (краткое описание опыта: машинное масло, содержащее алюминиевый порошок, заполняет зазор между неподвижным внешним стеклянным цилиндром и вращающимся внутренним металлическим цилиндром. Торцовые пластинки сверху и снизу неподвижны. Скорость вращения в 9,1 раза больше той, для которой Тейлор предсказывает возникновение регулярно расположенных тороидальных вихрей, видных на снимке. Радиальная компонента скорости течения направлена внутрь на более широких темных горизонтальных кольцах и наружу на более узких).

       Эффект Тейлора очень близок по смыслу к эффекту неустойчивости ламинарного течения в круглой трубе. Только там неустойчивость приводит к турбулентности, а здесь – к упорядоченной стационарной структуре. Это отличие вызвано, очевидно, изменением геометрии опыта.

Познавательные статьи:



Организация работы процедурного кабинета

Статус республик в составе РФ

Понятие финансов, их функции и особенности

Сущность демографической политии