【i专栏】神奇好玩的流体现象系列(八) | 美丽的涡环
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2025-01-11 10:22
上海
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不知道大家有没有去过海洋馆？去过的小伙伴们可能见过海豚或者白鲸表演节目，它们表演的拿手好戏是在水中吹泡泡，而且吹出的气泡十分完美。生物学家们发现海豚很热衷于和泡泡嬉戏追逐，甚至有时候还用脚来阻止气泡上升，或者把头钻进这个气泡里，小编感觉对于贪玩的海豚来说，“宁舍一顿饭，不舍玩泡泡”。这个好玩的泡泡在我们流体动力学上也有一个专门的名字：涡环（vortex ring）。
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当然了，涡环不只存在海豚吹出的泡泡里，这种流体动力学现象在自然界是广泛存在的，比如说借风飞翔的蒲公英。我们都知道，蒲公英能够在空气中进行很长一段时间的超远飞行，那它们远距离飞行的奥秘是什么呢？直到2018年10月，人们才通过垂直风动机实验真正地发现“分离涡流环”是造成蒲公英种子独特的飞行机制的主导因素。![]()
还有另外一种涡环的应用是：人们根据涡环的原理做出了空气炮，它可以直观地看出气体流动的方向和轨迹。网上有很多用空气炮远距离打纸箱子的视频，大家有兴趣可以看一下。![]()
另外，当年我国在研制”真理牌“大杀器的时候也使用了涡环的原理：在电影《横空出世》里，原子弹爆炸后形成的蘑菇云实际上就是一个不断上升的巨大涡环。![]()
涡环具有稳定性与持久性，它能够在不损失质量和动能的情况下保持其原有的形状，从而进行较长距离的运动。例如，人抽烟时吐出的烟圈，仍能在空中保持一段时间，有些人能用这些烟圈做出奇妙的艺术效果，这正是因为涡环内部气流的旋转增强了其运动耐久性。另外当两个涡环正面碰撞时，它们并不会相融消散，而是沿着碰撞面径向膨胀，形成一个大环，随后大环可能分裂成多个小环，最终消散在空气中。下面就是实验室做出的美丽的涡环碰撞实验效果。![]()
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什么原理？
涡环的形成主要基于流体力学原理。当介质中的一股力向前快速移动时，它会与介质载体产生阻力，从而在边缘形成前后运动的极向环流。前进的部分动能通过阻力的摩擦转化为极向环流的旋转动能，进而形成涡环。涡环内部的旋转气流减少了其核心区域与周围环境中静止流体的摩擦力，使得涡环能够在不减损质量和动能的情况下保持其原有的形状和运动状态。这玩意有啥用？
- 机械应用：涡环可以用于汽车、航空、船舶和火车等运输工具的动力装置，以及机器人、农业机械、医疗设备等机械设备的动力装置。此外，涡环还可以用于建筑物的护栏、楼梯和桥梁的支撑构件等。
- 热力学应用：涡环的动力特性可用于改善流体的热性能，提高热能转换效率。例如，涡环可用于涡轮机、热力发电机、汽轮机、热水器等热力设备的动力装置。
- 流体动力学应用：涡环的动力特性可用于改善流体的流动特性，提高流体的运动效率。在汽轮机、涡轮机、水轮机、水力发电机等流体动力设备中发挥着重要作用。
- 其他应用：涡环现象还在气象观测、环境科学、生物学等领域有着潜在的应用价值。例如，涡环可以影响大气层中的气象条件，对风向、风速等产生影响；在生物学中，涡环可能影响某些生物的移动方式和生存策略。
那么各位小伙伴，看来这么多涡环的例子，你觉得这个美丽的涡环和你现在的工作，生活能碰撞出什么火花来呢？你觉得它还能用在哪里呢？快打开你的脑洞，和小编一起聊聊吧！
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