¿Cómo se forma este vórtice dentro de un motor a reacción?

Siempre que hay presión negativa en el aire, el aire fluye a lo largo del gradiente de esta presión negativa, es decir, en la dirección de la fuente de presión negativa. (En primer orden.)

Si hay una pared (o el suelo) en el camino, el aire fluirá a lo largo de la superficie de este obstáculo y cambiará su dirección en algún punto, como se muestra en este dibujo:

Ahora, imagine que todo el aire alrededor del motor está girando lentamente por alguna razón alrededor del eje de simetría en el boceto.

De la física, puede conocer la conservación del momento, o en este caso, del momento angular. Dice que el producto de la distancia al eje de rotación por las RPM de esta rotación es constante para una determinada partícula. Si una partícula reduce su distancia al eje, sus RPM aumentan.
Esto es como el patinador sobre hielo que gira, que gira más rápido cuando tira de los brazos hacia el cuerpo (hacia el eje).

Esta ley también se aplica a los paquetes de aire, que son succionados por el eje, aunque la fricción interna frena el aire hasta cierto punto.

El aire que gira rápidamente cerca del eje encuentra una fuerza centrífuga, es decir, el aire se aleja del eje, formando una región de fuerte depresión. En esta región, el aire se expande y, por lo tanto, se enfría. Esto puede causar condensación de agua, si la humedad del aire es lo suficientemente alta. Y eso es lo que puedes ver en tus fotos.

Todavía hay una pregunta sin respuesta: escribí, esto sucede si el aire circundante gira lentamente. Esto suele suceder porque el viento se desvía del propio avión, lo que significa que cambia su dirección, que es una especie de rotación.

Y, por supuesto, un flujo de aire fuerte y no uniforme desde la parte trasera, como el generado por los propulsores inversos, puede causar más / más fuerte rotación de aire, lo que da como resultado vértices más fuertes. Así que no es de extrañar cuando aparecen (o mejor: se hacen más visibles) en este caso.

Aquí hay una buena imagen de una simulación, que también muestra que el fuselaje puede ser la pared donde se crea el vórtice.

Fuente: http://gallery.ensight.com

Parece que el viento proviene de la posición de la cámara, o un poco más a la derecha. Es desviado por el fuselaje y fluye a lo largo de él, lo que explica las líneas rectas que vienen de la parte trasera y las curvas que vienen de la parte delantera izquierda del avión. Si imagina el flujo de aire a lo largo o debajo del fuselaje, también puede comprender por qué los dos vértices giran en diferentes orientaciones.

Como la fuerte presión negativa dentro del vórtice, también puede aspirar polvo o incluso objetos más grandes, lo que puede dañar el motor. Para aeronaves que aterrizan en aeródromos sin pavimentar, pueden estar disponibles kits de tiras sin pavimentar , que pueden contener un disipador de vórtice:

Fuente: http://www.b737.org.uk

Esta es una boquilla que sopla aire sangrado en la región donde podrían aparecer vórtices, lo que reduce la presión negativa y, por lo tanto, el riesgo de ingerir objetos del suelo.

Notas:

Puedes ver algo similar en el lavabo de tu bañera. Tan pronto como hay una pequeña rotación, se amplifica sobre el fregadero, la fuerza centrífuga empuja el agua a un lado y forma este vórtice de rotación rápida.

Un tornado es una versión gigante de un vórtice de entrada. El aire se mueve a lo largo del suelo a largas distancias, hasta que se mueve hacia arriba en algún punto, y una ligera rotación hace que esta manguera de rotación rápida se adhiera al suelo y succione todo debido a la fuerte presión negativa en el interior.

Y un poco fuera de tema:

A veces, puede ver vórtices en las puntas de las alas o en los bordes de las aletas de los aviones que vuelan a través del aire húmedo. La razón es similar: el aire se pone en rotación debido a la mayor presión debajo y la más baja sobre las alas. (Pero eso no es exactamente lo mismo que los vórtices de entrada). Y, a veces, también se ve que se forma niebla sobre el ala debido a la baja presión.
En esta imagen, puede ver ambos y puede imaginar la rotación del segundo vórtice desde la derecha.

Fuente: http://avioners.net

Los vórtices de entrada que se muestran se forman en el caso de los motores de turbina y en las hélices durante la operación cerca del suelo donde hay poco o ningún viento cruzado. En condiciones atmosféricas estándar, el vórtice es invisible; sin embargo, con suficiente humedad, se produce condensación dentro del núcleo del vórtice (a medida que la temperatura cae por debajo de la temperatura del punto de rocío) y el vórtice se vuelve invisible.

Fuente: wpi.edu

Cuando se arranca el motor, el motor ingiere aire cuya área de sección transversal es mayor que el área frontal del motor. Cerca del suelo, esto también incluye el suelo e induce un flujo allí. A medida que el aire se acerca al motor, se acelera y, si ya existe cierta cantidad de vorticidad, forma un vórtice de entrada, que se vuelve visible en algunas condiciones.

Imagen de la solicitud de patente del sistema activo de supresión de vórtices en el suelo para un motor de avión EP 1413721 B1

El vórtice de entrada se forma entre el motor (o la hélice) y un punto de estancamiento en el suelo. Esto generalmente no se forma lejos del suelo ya que las líneas de vórtice no pueden comenzar o terminar en un fluido de acuerdo con los teoremas de Helmholtz .

Como resultado, un extremo del vórtice se une al motor (o hélice) y el otro extremo se extiende y se adhiere al suelo.

Se han propuesto dos mecanismos para esta formación de entrada,

• La vorticidad ambiental (aguas arriba) es amplificada por el motor y estirada y atraída hacia el motor.
• Sin vorticidad aguas arriba (es decir, en un flujo irrotacional), los vórtices se forman en presencia de viento cruzado. En caso de vientos cruzados fuertes, el vórtice de entrada se dobla alrededor de la entrada y para vientos cruzados muy fuertes, el vórtice no se forma en absoluto.

El estudio de la formación de vórtices en la entrada del motor es un tema de investigación importante, ya que el vórtice en la entrada puede causar una serie de problemas como, por ejemplo,

• Ingestión de FOD
• sobretensión del compresor
• Si hay viento cruzado, el vórtice de entrada puede causar una separación en la región del labio de entrada, lo que provoca pérdidas de rendimiento.

Para que se formen los vórtices de entrada, por lo general debe haber algún tipo de flujo de rotación en el campo lejano, que generalmente es generado por el viento cruzado cuando interactúa con el fuselaje; En caso de que no haya viento cruzado, todavía se forman vórtices de entrada, aunque se forman un par, que giran en direcciones opuestas . Estos son probablemente los vórtices en la simulación que @sweber mostró en respuesta.

Fuente: galería.ensight.com

Una de las razones de la presencia de vórtices cuando se activan los propulsores inversos es que provocan un flujo de aire con suficiente vorticidad en las inmediaciones.

Ver un estudio experimental de la formación y las características inestables de los vórtices de entrada por Wang y Gursul, accedido a través de enu.kz

Nota: El sistema de supresión de vórtices en la patente descrita anteriormente inyecta fluido cerca de la entrada, lo que interrumpe la estructura de flujo de un vórtice de tierra, mitigando así el vórtice de tierra.

Imagen de la solicitud de patente del sistema activo de supresión de vórtices en el suelo para un motor de avión EP 1413721 B1