80
Наиболее простым опытом, демонстрирующим это положение, является опыт с каплей чернил, упавшей в стакан с водой (рис. 3.5).
В принципе, в градиентных газовых потоках происходит то же самое.
Как показал Розенхед [2], поверхность пограничного слоя плоской струи стремится свернуться в ряд двойных спиралей (рис.3.6), образуя вихри, оси которых перпендикулярны направлению струй и градиенту скорости. Получившиеся вихри начнут самопроизвольно сжиматься, уменьшая радиус и увеличивая окружную скорость.
В результате образуются тороидальные газовые вихри, имеющие форму бублика (рис. 3.3), которые уплотняются, делятся, снова уплотняются, снова делятся до тех пор, пока плотность стенок вихрей не достигнет некоторого критического значения, тогда деление прекращается.
Рис. 3.5. Образование и деление тороидальных вихревых колец в жидкости при падении капли
81
В вихревом газовом тороиде, структура которого близка к замкнутой трубе с уплотненными стенками, отчетливо выделяются керн – центральная часть, имеющая осевое отверстие, оболочка, образованная внешними стенками той же трубы, и пограничный поверхностный слой, удерживающий газ в уплотненном виде в стенках.
Рис. 3.6. Неустойчивость пограничного слоя между потоками газа: стрелками указаны направления течений; области повышенного давления обозначены знаками +, цифры соответствуют стадиям развития процесса
Рис. 3.7. Структура дымового кольца. Выпуская дым в воздух через конец трубы, можно увидеть, что это туго свернутая тороидальная спираль. Однако это всего лишь переходная структура, которая в дальнейшем формируется в ламинарный тороидальный вихрь
Линии тока газа в тороидальном движении в стенках трубы проходят во внутренней части тороида через площадь, существенно меньшую, чем снаружи. Поэтому скорость тороидального движения газа в центральной части тороида значительно больше, чем в наружных стенках. Поскольку скорость тороидального движения в центральной части тороида велика, то струя по инерции будет выноситься вдоль оси и весь тороид приобретет форму луковицы.
