泰勒-库埃特流

✍ dations ◷ 2025-09-19 13:33:31 #流体动力学,流体动力学的不稳定性

在流体力学中,泰勒-库埃特流由夹在两个旋转圆柱之间缝隙中的粘性流体组成。当角速度较低时,通过测量雷诺数,可知这种流动具有稳定性和方位性。这种基本状态被称作环状库埃特流,是因为莫里斯・库埃特曾用这套实验装置测量粘度。杰弗里·英格拉姆·泰勒爵士在一篇破天荒的论文中研究了库埃特流的稳定性,并成为了水力稳定理论发展的奠基石。

泰勒发现,当内筒角速度增大并超过某一临界值时 库埃特流失稳并进入第二稳态——其特点是出现轴对称的环形涡,叫做泰勒涡流。接着增加筒的角速度,系统会经历一个不稳定过程,进入更加混乱的状态,它的下一个状态过程叫做波状涡流。如果两个筒以相反方向旋转,那么螺旋涡流会出现。当雷诺数超过一定数值时就会出现紊流。

环状库埃特流应用广泛,包括从脱盐到磁流体动力学以及粘度分析。再进一步,如果两个旋转圆筒的环状空隙间流动的液体有压力梯度存在,那么就形成了泰勒-迪安流。 长期以来,人们对不同的流动环境分门别类,包括扭曲泰勒涡,波状出流边界,等等。这种流体在流体力学中受到了详尽的研究和记录。

泰勒涡(同样由杰弗里·英格拉姆·泰勒爵士命名),是当流体的泰勒数 ( T a {\displaystyle \mathrm {Ta} } 的新流动,在流动达到一个较大雷诺数之前,实际上是稳定的,一旦达到,流动就会转变成不稳定的“波状涡流”,很可能标志着非轴对称不稳定性的出现。 旋转库埃特流在几何上由这两个参数来描述

以及

这里下标“1”代表内筒,“2”代表外筒。理想化的数学问题的提出方法是,选择 μ {\displaystyle \mu } η {\displaystyle \eta } T a {\displaystyle \mathrm {Ta} } 的特殊值。对于下面给出的 η 1 {\displaystyle \eta \rightarrow 1} μ 1 {\displaystyle \mu \rightarrow 1} 值,临界泰勒数是 T a c 1708 {\displaystyle \mathrm {Ta_{c}} \simeq 1708}

泰勒-库埃特流的一个重要意义在于,那些最终导致了紊流产生的流态变化。我们希望通过对这些系统的研究,以加深对向紊流转变过程的理解。

在重复实验中发现了许多流态,因此得到了一个标准命名惯例。 举个例子:

还有很多其他流态. 在这里,"波状"表示流动在角方向上的行进变化。 流态的整个图景还并不完整;实验有时会指引我们解释某一个感兴趣的流态,但是仍有理解上的差距。举例来说,一个叫做“软紊流”的有潜在意义的流态已经被发现了。

泰勒-库埃特实验可能包括另外的系统特性,比如说一个强制的轴流,脉动流等等,被设计用来更好地理解某些转变过程。

在1975年,J·P·戈勒布和H·L·斯维尼(英语:Harry Swinney)发表了一篇论文,关于在旋转流体中紊流的产生。在泰勒-库埃特流系统中,他们观察到,当转速增加时,流层分布变成了一堆“流体炸圈饼”。转速继续增加时,炸圈饼动摇、扭转,最终变成紊流。 他们的研究帮助建立了紊流中的吕埃勒-塔肯斯情况。

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