涡旋流动现象初探

涡旋流动现象初探摘要文章主要通过对漩涡在不同的情况下产生不同的现象进行初步探讨，同时也对漩涡的形成机理进行多方面的原因假设、猜测，从而对漩涡有一个总体的认识。关键词旋转、束缚力、水流速度、螺旋状THEWHIRLPOOLFLOWSAPHENOMENONPRELIMINARYSTUDYABSTRACTTHEARTICLEMAINLYPASSESACREATIONDIFFERENTPHENOMENONTOCARRYONANINITIALSTUDY,ALSOCARRYONAVARIOUSREASONASSUMPTION,GUESSTOTHEFORMATIONMECHANISMOFTHEWHIRLPOOLATTHESAMETIMEANDHAVETOTALUNDERSTANDINGTOTHEWHIRLPOOLTHUSUNDERTHEDIFFERENTCONDITIONTOTHEWHIRLPOOLKEYWORDREVOLVE,TIEUPADINT,WATERCURRENTSPEED,SPIRALFORM1实验器材容器一次性透明水杯、水桶、面盆、烧杯。辅助工具水、红墨水、塑料管、铁架台、蜡烛、千分尺、剪刀、打火机。记录工具摄像机、记事本、秒表。2试验方案21塑料杯处理取三个相同的一次性透明水杯，将其底部中央打好直径分别为04CM、05CM、07CM的小孔。22塑料管处理将三种塑料管分别处理成长度比为421。23固定好秒表和摄像机，使秒表和塑料杯同时入镜。24取直径为04CM的塑料管，插入相应的塑料杯，密封、固定，并将塑料杯固定在铁架台上。25封住下管口，使塑料杯中装满水，打开摄像机，在上水面中央滴一滴红墨水，同时打开下管口。重复此实验五次26取另外八根塑料管做上述相同实验。3、实验结果及分析31同直径对照分析直径04CM长度1直径04CM长度2直径04CM长度4311结论管越长，漩涡现象越明显312原因假设漩涡的形成主要是因为当液体流过小孔时，小孔边缘的水流速度较小孔中心水流速度慢。如果将小孔边缘的水流速度较慢的原因归结于孔壁对水流的阻碍作用（好似摩擦力），则上述实验中的管越长，孔壁对水流的阻碍作用越强，更满足漩涡形成的条件，于是形成漩涡越明显。32同长度对照分析长度1直径04CM长度1直径05CM长度1直径07CM321结论管越粗，形状越大，而且管粗的时候形成漩涡会发出吱吱的声音。322原因假设在管越粗的情况下，管壁与管中心处的水流差就越明显，从而使漩涡形成。而管孔的大小直接决定漩涡的大小（孔越大，漩涡形状就越大）。33旋转现象分析331结论水流在下降过程中，其运动路径为螺旋线。332原因假设水流在下降过程中存在着某种因素在阻碍其下降，减缓水下流的速度。而液体就按照螺旋线下降，增加自身运动路程来应对这种效果（假设水的速率V恒定）。34约束力分析341结论在漩涡形成后，漩涡对其中心和靠近其周围的液体具有束缚作用（类似于电影中的龙卷风），而其周围离中心较远的液体挣脱了这种束缚。342原因假设如果把这种约束力看做是提供向心力的一种方式。在漩涡中心部位，这种约束力足以提供向心力，从而使得漩涡中心的液体被牢牢的控制在漩涡之中。而对于离漩涡中心较远的液体，这种束缚力就不足以提供液体绕漩涡中心作圆周运动所需的向心力，从而这部分液体作离心运动。35成因总体分析不插吸管形成不了漩涡，而插上吸管时能形成漩涡。当吸管很短时漩涡形成的不理想，墨水在水中下落太快，只有在长吸管中观察才能取得理想的效果。实验发现漩涡形成过程是首先带动周围的水流旋转，此时清晰的涡管还没有形成。然后周围的彩带越收越小。中间涡管逐渐清晰。当涡管形成时对水体内部的水的影响几乎消失（通过对墨水的观察）。涡管内的切向水流速度很高，径向的速度不大，给人的直观感觉是漩涡阻止水的下落。建立模型当不插吸管时，水的运动情况运用微元法研究此现象可以发现微元内水的速度也是竖直向下的（原因水脱离杯子时只有向下的速度，藉此推测），然后根据水的连续性，微元四周的水填补过来，所以水体内无提供向心力的力，不形成漩涡。当插上吸管时，水的运动情况如图形成了类似体操里旋转彩带的情景，彩带飞舞只需要用手腕加一个旋转，猜想加上吸管是产生旋转的原因。A1A2A图（3）图（2）图（1）FNG图4图5如图1，猜想水在管中的运动是成螺旋状的，假象将管剪开，如图2，则水中某一水质点的运动如图3，猜想水质点的受力是如图4，其中G为重力，N为管壁对水的反作用力，F为管对水的阻力（GF）。水的加速的情况如图5。其中A为合加速度。综上所述，对漩涡的形成给出了一种可能的成因。4、结语通过对实验的观察发现，漩涡是一种旋转的