¿Qué causa la deformación angular en un vórtice libre no viscoso?

Podemos describir un vórtice de línea libre bidimensional (es decir, plano), no viscoso, irrotacional en coordenadas cilíndricas con la función de corriente ψ = k en r , potencial de velocidad ϕ = k θ , componente de velocidad tangencial v θ = 1 r ϕ θ = k / r , y componente de velocidad radial v r = ϕ r = 0 , dónde k es una constante El movimiento de líneas perpendiculares entre sí en un elemento fluido está dado por

γ ˙ = 1 r v r θ + v θ r v θ r

dónde γ ˙ es la tasa de deformación angular del ángulo entre las líneas. Además, debido a que el flujo es irrotacional,

( r v θ ) r = v r θ ,
tal que γ ˙ 0 . Sin embargo, para construir la función de corriente y el potencial de velocidad, debemos suponer que el flujo no es viscoso y que las únicas fuerzas que actúan sobre el elemento fluido son las tensiones normales (es decir, la presión) y las fuerzas del cuerpo. Mi entendimiento es que las tensiones normales y las fuerzas del cuerpo no pueden causar deformación angular, y las tensiones de corte son cero debido a la negligencia de los términos viscosos. Entonces, ¿qué fuerza está causando la deformación angular de los elementos fluidos en este flujo?

Esta pregunta de Phys.SE está relacionada, pero no responde a mi pregunta: ¿ Cuándo está libre un vórtice de flujo?

Respuestas (1)

Hay una deformación angular en un vórtice libre, exactamente la misma cantidad necesaria para contrarrestar la revolución de la partícula alrededor del centro.

Entonces,

d γ d t = 1 r v r θ + v θ r v θ r = 2 k r 2
Ahora integre sobre una revolución completa, que es el círculo completo 2 π r dividido por la velocidad k / r .

γ ( pag mi r   C y C yo mi ) = 0 2 π r 2 / k 2 k / r 2 d t = 4 π

¿Cuál es la cantidad total de deformación de los ejes en un ciclo, es decir, es la vorticidad ω de la partícula, ya que el sistema está en estado estacionario. pero sabemos que ω se define como el doble de la rotación de la partícula alrededor de su eje ω = 2 Ω , por lo tanto la rotación total es Ω = 2 π que contrarresta la revolución de un ciclo de Ω r mi v = 2 π . Recuerde que la deformación se ve desde el marco de la partícula pero para el marco de todo el flujo, es un flujo irrotacional, ya que también hay una revolución alrededor del eje central.

yo obtengo 2 k / r 2 si hago las derivadas