БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ВИ)
С. С. Филимонов.
Горизонтальный циклонный предтопок: 1 — ввод вторичного воздуха; 2 — выход продуктов сгорания в топку; 3 — выход жидкого шлака.
Вихревое движение
Вихрево'е движе'ние, движение жидкости или газа, при котором их малые элементы (частицы) перемещаются не только поступательно, но и вращаются около некоторой мгновенной оси.
Подавляющее большинство течений жидкости и газа, которые происходят в природе или осуществляются в технике, представляет собой В. д. Например, движение воды в трубе всегда является В. д. как в случае ламинарного течения , так и в случае турбулентного течения . Вращение элементарных объёмов обусловлено здесь тем, что на поверхности стенки из-за прилипания жидкости скорость её равна нулю, а при удалении от стенок быстро возрастает, так что скорости соседних слоёв значительно отличаются друг от друга. В результате тормозящего действия нижнего слоя и ускоряющего действия верхнего (рис. 1 ) возникает вращение частиц, т. е. имеет место В. д. Примерами В. д. являются: вихри воздуха в атмосфере, которые часто принимают огромные размеры и образуют смерчи и циклоны ; водяные вихри, которые образуются сзади устоев моста; воронки в воде реки и т.д.
Количественно В. д. можно охарактеризовать вектором w угловой скорости вращения частиц, который зависит от координат точки в потоке и от времени. Вектор w называется вихрем среды в данной точке; если w = 0 в некоторой области течения, то в этой области течение безвихревое. Вращающиеся частицы среды могут образовывать вихревые трубки (рис. 2 ) или отдельные слои. Вихревая трубка не может иметь внутри жидкости ни начала, ни конца; она или может быть замкнутой (вихревое кольцо), или должна иметь начало и конец на границах жидкости (например, на поверхности обтекаемого тела; на поверхности сосуда, внутри которого заключена жидкость; на поверхности земли — в случае смерчей, на поверхности воды или на дне реки — в случае вихрей в текущей воде и т.п.).
Присутствие в жидкости вихрей вызывает появление в ней добавочных скоростей. При наличии в жидкости системы вихрей они влияют на движение друг друга. Так, например, 2 вихря (рис. 3 ) равной по величине и противоположной по знаку интенсивности Г сообщают друг другу равные по величине и одинаково направленные скорости v, т. е. движутся поступательно; 2 вихря, имеющие одинаковые по абсолютной величине и знаку интенсивности, вращаются вокруг оси, проходящей через середину расстояний между ними.
Если 2 вихревых кольца имеют общую ось (рис. 4 ) и одинаковое направление вращения, то переднее кольцо вследствие скоростей, сообщаемых задним, увеличивается в диаметре и замедляется; заднее при этом уменьшается в диаметре, проходит сквозь переднее, т. е. они меняются местами, и весь процесс начинается сначала («игра» вихревых колец).
Во всякой вязкой жидкости действуют силы трения, в результате которых вихри меняют свою интенсивность — постепенно затухают. Т. к. вода и особенно воздух имеют малую вязкость, то в них вихри могут сохраняться довольно долгое время; например, смерчи иногда перемещаются на большие расстояния. В среде, лишённой вязкости (идеальная жидкость), вихри не могли бы ни появляться вновь, ни затухать. В средах с малой вязкостью (вода, воздух) В. д. возникает в тех частях течения, где сила вязкости всего сильнее проявляется, — в слое вблизи поверхности обтекаемого тела, в так называемом пограничном слое , заполненном сильно завихренной средой. Вихри пограничного слоя сбегают с поверхности обтекаемого тела и создают за этим телом след в форме тех или иных образований (вихревых слоёв или вихревых дорожек ). Вихри, возникающие при движении тела в среде, определяют значительную часть подъёмной силы и силы лобового сопротивления , действующих на него. Поэтому изучение В. д. имеет большое значение для расчёта и конструирования крыльев самолётов, воздушных винтов, лопаток турбин и т.д.
Лит.: Прандтль Л., Гидроаэромеханика, пер. с нем., 2 изд., М., 1951; Фабрикант Н. Я., Аэродинамика, М., 1964.
Рис. 3. Скорости, сообщаемые друг другу двумя плоскими вихрями.
Рис. 2. Вихревые трубки.
Рис. 4. Взаимодействие вихревых колец.
Рис. 1. Распределение скорости v по сечению трубы; элементарные объёмы вращаются, как показано стрелками.
Вихревой насос
Вихрево'й насо'с, 1) вакуумный насос , в котором для создания вакуума используется разрежение, развивающееся вдоль оси вихря. 2) Гидравлическая машина, передающая энергию двигателя жидкости путём завихрения её рабочим колесом (см. Насос ).
Вихревые токи
Вихревы'е то'ки, токи Фуко, замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. В. т. являются индукционными токами (см. Индукция электромагнитная ) и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело (рис. 1 ), либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть (рис. 2 ). Величина В. т. тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.
В отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, В. т. замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Согласно Ленца правилу , магнитное поле В. т. направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти В. т.
В. т. приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода . Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила В. т., направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров В. т. Такое «вытеснение» потока из середины сечения магнитопровода выражено тем резче, чем выше частота переменного тока и чем больше магнитная проницаемость ферромагнетика. При высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это вызывает уменьшение кажущейся (средней по сечению) магнитной проницаемости. Явление вытеснения из ферромагнетика магнитного потока, изменяющегося с большой частотой, аналогично электрическому скин-эффекту и называемому магнитным скин-эффектом.
В соответствии с Джоуля — Ленца законом В. т. нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому В. т. приводят к потерям энергии (потери на В. т.) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).
Для уменьшения потерь энергии на В. т. (и вредного нагрева магнитопроводов) и уменьшения эффекта «вытеснения» магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика (электротехнической стали), а из отдельных пластин, изолированных друг от друга (например, специальным лаком). Такое деление на пластины, расположенные перпендикулярно направлению В. т., ограничивает возможные контуры путей В. т. (рис. 3 ), что сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно; в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков , в которых В. т. практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов.
При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные В. т. обусловливают заметное механическое взаимодействие тела с полем. На этом принципе основано, например, торможение подвижной системы в счётчиках электрической энергии, в которых алюминиевый диск вращается в поле постоянного магнита (рис. 2 ). В машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём В. т. Взаимодействие В. т. с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла.
К той же группе механических эффектов, вызванных В. т., относится выталкивание неферромагнитных металлических тел из поля катушки переменного тока.
В. т. возникают и в самом проводнике, по которому течёт переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные В. т. направлены у поверхности проводника по первичному электрическому току, а у оси проводника — навстречу току (рис. 4 ). В результате внутри проводника ток уменьшится, а у поверхности увеличится. Токи высокой частоты практически текут в тонком слое у поверхности проводника, внутри же проводника тока нет. Это явление называется электрическим скин-эффектом. Чтобы уменьшить потери энергии на В. т., провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.
