กระแสวน

ในพลศาสตร์ของไหล กระแสวน (อังกฤษ: vortex) เป็นพื้นที่ภายในของไหลที่ไหลโดยการเคลื่อนที่ด้วยการหมุนรอบแกนสมมุติในแนวเส้นตรงหรือเส้นโค้ง รูปแบบของการเคลื่อนที่นั้นเรียกว่าการไหลวน (vortical flow) ^[1]^[2] (พหูพจน์เดิมและที่พบมากที่สุดของคำว่า "กระแสวน" ในภาษาอังกฤษคือ vortices^[3] แม้ว่าคำว่า vortexes มักจะถูกใช้บ่อยก็ตาม)^[4]

กระแสวนอยู่ในรูปแบบของของไหลที่ถูกกวนเข้าด้วยกันรวมทั้งของเหลว ก๊าซ และพลาสมา บางตัวอย่างส่วนใหญ่จะเป็นวงแหวนควัน (smoke ring), แอ่งน้ำวน (whirlpool) มักจะเห็นได้บ่อย ๆ จากร่องรอยทางผ่าน (wake) ของเรือและใบพาย, และลมบริเวณพื้นที่โดยรอบพายุทอร์นาโด, เฮอริเคน และพายุฝุ่น (dust devil) กระแสลมวนในรูปแบบของร่องรอยทางผ่านของเครื่องบินและการมีคุณลักษณะที่โดดเด่นของชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี เป็นต้น

กระแสวนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) ในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอก ความฝืดหนืด (viscous friction) ภายในของไหลมีแนวโน้มที่จะจัดระเบียบการไหลเข้าในกลุ่มที่เรียกว่า กระแสวนที่ไหลโดยไม่หมุน (vortices irrotational) การไหลโดยไม่หมุน (Irrotational flow) คือ ในบริเวณโดยรอบจุดหนึ่งๆ ในของไหล จะไม่มีอนุภาคของของไหลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเชิงมุมรอบจุดนั้น ๆ เลย^[5] ภายในกระแสวนนั้น ความเร็วของเหลวเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดถัดไปจากแกนจินตภาพหรือแกนสมมุติ และจะลดลงเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางจากแกน การหมุนวน (vorticity) (ขดความเร็วของของเหลว) มีค่าสูงมากในอาณาบริเวณหลักโดยรอบแกน และเกือบจะเป็นศูนย์ในส่วนที่เหลือของกระแสวน ในขณะที่ความดันลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเข้าไปใกล้เป็นระยะทางหนึ่งในบริเวณนั้น

กระแสวนที่เกิดขึ้นครั้งหนึ่ง สามารถเคลื่อนย้าย ยืดตัว บิดเป็นเกลียว และมีปฏิสัมพันธ์กันในรูปแบบที่ซับซ้อน การเคลื่อนที่ของกระแสวนจะนำพาซึ่งโมเมนตัมเชิงมุมและเชิงเส้น พลังงาน และมวลมาด้วย ในกระแสวนนิ่ง เส้นกระแส (streamlines) และเส้นทางผ่าน (pathlines) จะถูกปิด

คุณสมบัติ แก้

เมฆคอนเทรล (contrail) ^[6] ที่มีความไม่เสถียรแบบคราว (Crow Instability) แสดงให้เห็นถึงกระแสของการไหลวน

รูปแบบการหมุนวน แก้

การหมุนวนในกระแสวนขึ้นอยู่กับว่าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแตกต่างกันไปเป็นระยะ R จากแกนเท่าใด

ถ้าของไหลหมุนเหมือนกับเป็นวัตถุแข็งเกร็ง (rigid body) - นั่นคือถ้า v เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเดียวกับ r - ลูกบอลกลมเล็ก ๆ ที่สมมุติเปรียบเทียบให้ดำเนินการโดยการไหลของของไหลนี้ก็จะหมุนวนรอบจุดศูนย์กลางราวกับว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของวัตถุที่แข็งเกร็งนั้น

Rotational (rigid-body) vortex

{\vec {\omega }}_{vorticity}={\frac {v_{\theta }}{r}}+{\frac {dv_{\theta }}{dr}}=2{\vec {\omega }}_{ang.velocity}

ถ้าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแปรผกผันกับระยะทาง r แล้วลูกบอลกลมทดสอบในจินตนาการนี้จะไม่หมุนไปมากเกินกว่าตัวของมันเอง; มันจะรักษาแนวทิศทางการวางตัวให้อยู่ในลักษณะแบบเดียวกันในขณะที่กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมไปรอบ ๆ เส้นกระแสวน

ดูเพิ่ม แก้

อ้างอิง แก้

หมายเหตุ แก้

↑ Ting, L. (1991). Viscous vortical flows. Lecture notes in physics. Springer-Verlag. ISBN 3-540-53713-9.
↑ Kida, Shigeo (2001). Life, Structure, and Dynamical Role of Vortical Motion in Turbulence (PDF). IUTAM Symposium on Tubes, Sheets and Singularities in Fluid Dynamics. Zakopane, Poland.
↑ The Oxford English Dictionary
↑ The Merriam Webster Collegiate Dictionary
↑ พลศาสตร์ของไหล, ฟิสิกส์ราชมงคล, http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/fluiddynamic.htm เก็บถาวร 2016-02-03 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
↑ http://www.gotoknow.org/posts/440674

อื่น ๆ แก้

Loper, David E. (November 1966). An analysis of confined magnetohydrodynamic vortex flows (PDF) (NASA contractor report NASA CR-646). Washington: National Aeronautics and Space Administration. LCCN 67-60315.
Batchelor, G.K. (1967). An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge Univ. Press. Ch. 7 et seq. ISBN 9780521098175.
Falkovich, G. (2011). Fluid Mechanics, a short course for physicists. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00575-4.
Clancy, L.J. (1975). Aerodynamics. London: Pitman Publishing Limited. ISBN 0-273-01120-0.
doi:10.1046/j.1365-8711.2001.04228.x
This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
พลศาสตร์ของไหล, ฟิสิกส์ราชมงคล, http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/fluiddynamic.htm เก็บถาวร 2016-02-03 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน

[1] Ting, L. (1991). Viscous vortical flows. Lecture notes in physics. Springer-Verlag. ISBN 3-540-53713-9.

[2] Kida, Shigeo (2001). Life, Structure, and Dynamical Role of Vortical Motion in Turbulence (PDF). IUTAM Symposium on Tubes, Sheets and Singularities in Fluid Dynamics. Zakopane, Poland.

[3] The Oxford English Dictionary

[4] The Merriam Webster Collegiate Dictionary

[5] พลศาสตร์ของไหล, ฟิสิกส์ราชมงคล, http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/fluiddynamic.htm เก็บถาวร 2016-02-03 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน

[6] ttp://www.gotoknow.org/posts/440674

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]