В динамике жидкости поток может быть разложен на первичный поток плюс вторичный поток , относительно более слабая картина потока, наложенная на более сильную картину первичного потока . Первичный поток часто выбирается как точное решение упрощенных или приближенных управляющих уравнений, таких как потенциальное течение вокруг крыла или геострофическое течение или ветер на вращающейся Земле. В этом случае вторичный поток полезно подчеркивает эффекты сложных реальных условий, пренебрегаемых в этих приближенных уравнениях. Например, последствия вязкости подчеркиваются вторичным потоком в вязком пограничном слое , разрешая парадокс чайного листа . В качестве другого примера, если первичный поток принимается как приближение сбалансированного потока с чистой силой, приравненной к нулю, то вторичная циркуляция помогает выделить ускорение из-за небольшого дисбаланса сил. Предположение малости относительно вторичного потока также облегчает линеаризацию .
В технике вторичный поток также определяет дополнительный путь потока.
Основные принципы физики и эффект Кориолиса определяют приблизительный геострофический ветер или градиентный ветер , сбалансированные потоки , которые параллельны изобарам . Измерения скорости и направления ветра на высотах значительно выше уровня земли подтверждают, что ветер довольно хорошо соответствует этим приближениям. Однако ближе к поверхности Земли скорость ветра меньше, чем предсказывает градиент барометрического давления, и направление ветра частично пересекает изобары, а не параллельно им. Этот поток воздуха через изобары является вторичным потоком , в отличие от первичного потока, который параллелен изобарам. Вмешательство элементов шероховатости поверхности , таких как рельеф, волны, деревья и здания, вызывает сопротивление ветра и не позволяет воздуху разгоняться до скорости, необходимой для достижения сбалансированного потока. В результате направление ветра вблизи уровня земли частично параллельно изобарам в регионе, а частично — поперек изобар в направлении от более высокого давления к более низкому.
В результате более медленной скорости ветра у поверхности земли, в области низкого давления барометрическое давление обычно значительно выше у поверхности, чем можно было бы ожидать, учитывая барометрическое давление на средних высотах, из-за принципа Бернулли . Следовательно, вторичный поток к центру области низкого давления также тянется вверх значительно более низким давлением на средних высотах. Это медленное, широко распространенное восхождение воздуха в области низкого давления может вызвать широко распространенные облака и дождь, если воздух имеет достаточно высокую относительную влажность .
В области высокого давления ( антициклоне ) вторичный поток включает в себя медленное, широко распространенное падение воздуха со средних высот к уровню земли, а затем наружу через изобары. Это падение вызывает снижение относительной влажности и объясняет, почему в областях высокого давления обычно наблюдается безоблачное небо в течение многих дней.
Поток вокруг тропического циклона часто хорошо аппроксимируется как параллельный круговым изобарам , например, в вихре . Сильный градиент давления тянет воздух к центру циклона, центростремительная сила почти уравновешивается силой Кориолиса и центробежными силами в градиентном ветровом балансе. Вязкий вторичный поток вблизи поверхности Земли сходится к центру циклона, поднимаясь в стене глаза , чтобы удовлетворить непрерывность массы . По мере того, как вторичный поток тянется вверх, воздух охлаждается, а его давление падает, вызывая чрезвычайно сильные осадки и выделяя скрытое тепло , которое является важным фактором энергетического бюджета шторма.
Торнадо и пылевые дьяволы демонстрируют локализованный вихревой поток. Их движение жидкости похоже на движение тропических циклонов , но в гораздо меньших масштабах, так что эффект Кориолиса не имеет значения. Первичный поток является круговым вокруг вертикальной оси торнадо или пылевого дьявола. Как и во всех вихревых потоках, скорость потока самая высокая в ядре вихря. В соответствии с принципом Бернулли , где скорость ветра самая высокая, давление воздуха самое низкое; а где скорость ветра самая низкая, давление воздуха самое высокое. Следовательно, вблизи центра торнадо или пылевого дьявола давление воздуха низкое. Существует градиент давления по направлению к центру вихря. Этот градиент в сочетании с более медленной скоростью воздуха вблизи поверхности земли вызывает вторичный поток по направлению к центру торнадо или пылевого дьявола, а не по чисто круговой схеме.
Более низкая скорость воздуха у поверхности не позволяет давлению воздуха упасть так низко, как можно было бы ожидать от давления воздуха на больших высотах. Это совместимо с принципом Бернулли. Вторичный поток направлен к центру торнадо или пылевого дьявола, а затем поднимается вверх значительно более низким давлением на несколько тысяч футов над поверхностью в случае торнадо или на несколько сотен футов в случае пылевого дьявола. Торнадо могут быть очень разрушительными, а вторичный поток может привести к тому, что мусор будет сметён в центральное место и перенесён на низкие высоты.
Пыльные вихри можно увидеть по пыли, поднятой на уровне земли, унесенной вторичным потоком и сконцентрированной в центральном месте. Затем накопление пыли сопровождает вторичный поток вверх в область интенсивного низкого давления, которая существует вне влияния земли.
Когда вода в круглой миске или чашке движется по кругу, вода демонстрирует свободное вихревое течение — вода в центре миски или чашки вращается с относительно высокой скоростью, а вода по периметру вращается медленнее. Вода немного глубже по периметру и немного мельче в центре, а поверхность воды не плоская, а демонстрирует характерное углубление по направлению к оси вращающейся жидкости. На любой высоте в воде давление немного больше вблизи периметра миски или чашки, где вода немного глубже, чем вблизи центра. Давление воды немного больше там, где скорость воды немного медленнее, и давление немного меньше там, где скорость выше, и это согласуется с принципом Бернулли .
Существует градиент давления от периметра чаши или стакана к центру. Этот градиент давления обеспечивает центростремительную силу, необходимую для кругового движения каждой порции воды. Градиент давления также учитывает вторичный поток пограничного слоя в воде, текущей по дну чаши или стакана. Более медленная скорость воды в пограничном слое неспособна уравновесить градиент давления. Пограничный слой закручивается по спирали внутрь к оси циркуляции воды. Достигнув центра, вторичный поток затем поднимается к поверхности, постепенно смешиваясь с первичным потоком. Вблизи поверхности также может быть медленный вторичный поток наружу к периметру.
Вторичный поток вдоль дна миски или чашки можно увидеть, если посыпать воду тяжелыми частицами, такими как сахар, песок, рис или чайные листья, а затем заставить воду совершать круговое движение, помешивая ее рукой или ложкой. Пограничный слой закручивается спиралью внутрь и сметает более тяжелые твердые частицы в аккуратную кучу в центре миски или чашки. При циркуляции воды в миске или чашке первичный поток является чисто круговым и можно ожидать, что он будет выбрасывать тяжелые частицы наружу к периметру. Вместо этого можно увидеть, как тяжелые частицы собираются в центре в результате вторичного потока вдоль пола. [1]
Вода, текущая через изгиб реки, должна следовать изогнутым линиям потока , чтобы оставаться в пределах берегов реки. Поверхность воды немного выше около вогнутого берега, чем около выпуклого берега. («Вогнутый берег» имеет больший радиус. «Выпуклый берег» имеет меньший радиус.) В результате на любой высоте в реке давление воды немного выше около вогнутого берега, чем около выпуклого берега. Градиент давления возникает от вогнутого берега к другому берегу. Центростремительные силы необходимы для изогнутого пути каждой порции воды, который обеспечивается градиентом давления. [1]
Первичный поток вокруг изгиба приближается к свободному вихрю – самая высокая скорость там, где радиус кривизны самого потока наименьший, и самая низкая скорость там, где радиус наибольший. [2] Более высокое давление вблизи вогнутого (внешнего) берега сопровождается более низкой скоростью воды, а более низкое давление вблизи выпуклого берега сопровождается более высокой скоростью воды, и все это согласуется с принципом Бернулли .
Вторичный поток образуется в пограничном слое вдоль дна русла реки. Пограничный слой движется недостаточно быстро, чтобы уравновесить градиент давления, поэтому его путь частично вниз по течению, а частично поперек потока от вогнутого берега к выпуклому берегу, движимый градиентом давления. [3] Затем вторичный поток поднимается к поверхности, где он смешивается с первичным потоком или медленно движется по поверхности обратно к вогнутому берегу. [4] Это движение называется геликоидальным потоком .
На дне русла реки вторичный поток переносит песок, ил и гравий через реку и откладывает твердые частицы около выпуклого берега, подобно тому, как сахар или чайные листья сметаются к центру чаши или стакана, как описано выше. [1] Этот процесс может привести к выделению или созданию островов в форме буквы D, извилин за счет создания изрезанных берегов и противоположных точечных отмелей , что, в свою очередь, может привести к образованию старицы . Выпуклый (внутренний) берег речных изгибов, как правило, мелкий и состоит из песка, ила и мелкого гравия; вогнутый (внешний) берег, как правило, крутой и приподнятый из-за сильной эрозии.
Для вторичного потока в турбомашиностроении были предложены различные определения, например: «Вторичный поток в широком смысле означает поток под прямым углом к предполагаемому первичному потоку» [5] .
Вторичные потоки возникают в главном или первичном пути потока в компрессорах и турбинах турбомашин (см. также не связанное с этим использование термина для потока во вторичной воздушной системе газотурбинного двигателя). Они всегда присутствуют, когда пограничный слой стенки поворачивается на угол изогнутой поверхностью. [6] Они являются источником полной потери давления и ограничивают эффективность, которая может быть достигнута для компрессора или турбины. Моделирование потока позволяет формировать поверхности лопаток, лопастей и торцевых стенок для снижения потерь. [7] [8]
Вторичные потоки возникают по всему рабочему колесу в центробежном компрессоре, но менее заметны в осевых компрессорах из-за более короткой длины прохода. [9] Поворот потока в осевых компрессорах слабый, но пограничные слои на стенках кольца толстые, что дает значительные вторичные потоки. [10] Поворот потока в лопатках турбины сильный и создает сильный вторичный поток. [11]
Вторичные потоки также возникают в насосах для жидкостей и включают предварительное вращение на входе или завихрение на входе, поток через зазор на конце (утечку на конце), разделение потока при работе в условиях, отличных от проектных, и вторичную завихренность. [12]
Ниже, из Диксона [13], показан вторичный поток, создаваемый поворотом потока в лопатке осевого компрессора или проходе статора. Рассмотрим поток со скоростью подхода c1. Профиль скорости будет неравномерным из-за трения между стенкой кольца и жидкостью. Завихренность этого пограничного слоя нормальна к скорости подхода и имеет величину где z - расстояние до стенки.
Поскольку вихреобразование каждой лопасти друг на друга будет иметь противоположные направления, будет генерироваться вторичная вихреобразование. Если угол отклонения, e, между направляющими лопатками мал, величина вторичной вихреобразования представляется как
Этот вторичный поток будет представлять собой интегрированный эффект распределения вторичной завихренности по длине лопасти.
Газотурбинные двигатели имеют первичный поток воздуха, вырабатывающий энергию, проходящий через компрессор. Они также имеют существенный (25% основного потока в Pratt & Whitney PW2000 ) [14] вторичный поток , получаемый из первичного потока и который нагнетается из компрессора и используется вторичной воздушной системой. Подобно вторичному потоку в турбомашинах, этот вторичный поток также является потерей для вырабатывающей мощность способности двигателя.
Поток, создающий тягу и проходящий через тепловой цикл двигателя, называется первичным потоком воздуха. Использование только потока цикла было относительно недолговечным, как и турбореактивный двигатель. Поток воздуха через пропеллер или вентилятор турбомашины называется вторичным потоком и не является частью теплового цикла. [15] Такое использование вторичного потока снижает потери и увеличивает общую эффективность двигательной установки. Вторичный поток может быть во много раз больше, чем через двигатель.
В 1960-х годах крейсерские скорости от 2 до 3 Маха были востребованы для коммерческих и военных самолетов. Concorde , North American XB-70 и Lockheed SR-71 использовали сверхзвуковые сопла эжекторного типа, которые имели вторичный поток, полученный из входного отверстия выше по потоку компрессора двигателя. Вторичный поток использовался для продувки отсека двигателя, охлаждения корпуса двигателя, охлаждения сопла эжектора и смягчения первичного расширения. Вторичный поток выбрасывался насосным действием первичного газового потока через сопло двигателя и давлением рампы во входном отверстии.
