กระแสวน

ในพลศาสตร์ของไหล กระแสวน (อังกฤษ: vortex) เป็นพื้นที่ภายในของไหลที่ไหลโดยการเคลื่อนที่ด้วยการหมุนรอบแกนสมมุติในแนวเส้นตรงหรือเส้นโค้ง รูปแบบของการเคลื่อนที่นั้นเรียกว่าการไหลวน (vortical flow) (พหูพจน์เดิมและที่พบมากที่สุดของคำว่า "กระแสวน" ในภาษาอังกฤษคือ vortices แม้ว่าคำว่า vortexes มักจะถูกใช้บ่อยก็ตาม)

เส้นทางผ่านของอนุภาคของไหลรอบแกน (เส้นประ) ของกระแสวนในอุดมคติที่ไหลโดยไม่มีการหมุน (ideal irrotational vortex) (ดู animation)

กระแสวนของรูระบายน้ำของอ่างล้างมือ (plughole vortex)

กระแสวนอยู่ในรูปแบบของของไหลที่ถูกกวนเข้าด้วยกันรวมทั้งของเหลว ก๊าซ และพลาสมา บางตัวอย่างส่วนใหญ่จะเป็น (smoke ring), (whirlpool) มักจะเห็นได้บ่อย ๆ จาก (wake) ของเรือและ, และลมบริเวณพื้นที่โดยรอบพายุทอร์นาโด, เฮอริเคน และพายุฝุ่น (dust devil) กระแสลมวนในรูปแบบของร่องรอยทางผ่านของเครื่องบินและการมีคุณลักษณะที่โดดเด่นของชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี เป็นต้น

กระแสวนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของ (turbulent flow) ในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอก (viscous friction) ภายในของไหลมีแนวโน้มที่จะจัดระเบียบการไหลเข้าในกลุ่มที่เรียกว่า กระแสวนที่ไหลโดยไม่หมุน (vortices irrotational) การไหลโดยไม่หมุน (Irrotational flow) คือ ในบริเวณโดยรอบจุดหนึ่งๆ ในของไหล จะไม่มีอนุภาคของของไหลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเชิงมุมรอบจุดนั้น ๆ เลย ภายในกระแสวนนั้น ความเร็วของเหลวเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดถัดไปจากแกนจินตภาพหรือแกนสมมุติ และจะลดลงเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางจากแกน การหมุนวน (vorticity) (ขดความเร็วของของเหลว) มีค่าสูงมากในอาณาบริเวณหลักโดยรอบแกน และเกือบจะเป็นศูนย์ในส่วนที่เหลือของกระแสวน ในขณะที่ความดันลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเข้าไปใกล้เป็นระยะทางหนึ่งในบริเวณนั้น

กระแสวนที่เกิดขึ้นครั้งหนึ่ง สามารถเคลื่อนย้าย ยืดตัว บิดเป็นเกลียว และมีปฏิสัมพันธ์กันในรูปแบบที่ซับซ้อน การเคลื่อนที่ของกระแสวนจะนำพาซึ่งโมเมนตัมเชิงมุมและเชิงเส้น พลังงาน และมวลมาด้วย ในกระแสวนนิ่ง (streamlines) และ (pathlines) จะถูกปิด

คุณสมบัติ

เมฆคอนเทรล (contrail) ที่มีความไม่เสถียรแบบคราว (Crow Instability) แสดงให้เห็นถึงกระแสของการไหลวน

รูปแบบการหมุนวน

การหมุนวนในกระแสวนขึ้นอยู่กับว่าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแตกต่างกันไปเป็นระยะ R จากแกนเท่าใด

• ถ้าของไหลหมุนเหมือนกับเป็นวัตถุแข็งเกร็ง (rigid body) - นั่นคือถ้า v เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเดียวกับ r - ลูกบอลกลมเล็ก ๆ ที่สมมุติเปรียบเทียบให้ดำเนินการโดยการไหลของของไหลนี้ก็จะหมุนวนรอบจุดศูนย์กลางราวกับว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของวัตถุที่แข็งเกร็งนั้น

Rotational (rigid-body) vortex

${\displaystyle {\vec {\omega }}_{vorticity}={\frac {v_{\theta }}{r}}+{\frac {dv_{\theta }}{dr}}=2{\vec {\omega }}_{ang.velocity}}$

• ถ้าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแปรผกผันกับระยะทาง r แล้วลูกบอลกลมทดสอบในจินตนาการนี้จะไม่หมุนไปมากเกินกว่าตัวของมันเอง; มันจะรักษาแนวทิศทางการวางตัวให้อยู่ในลักษณะแบบเดียวกันในขณะที่กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมไปรอบ ๆ เส้นกระแสวน

ดูเพิ่ม

อ้างอิง

หมายเหตุ

1. Ting, L. (1991). Viscous vortical flows. Lecture notes in physics. Springer-Verlag. ISBN .
2. Kida, Shigeo (2001). Life, Structure, and Dynamical Role of Vortical Motion in Turbulence (PDF). IUTAM Symposium on Tubes, Sheets and Singularities in Fluid Dynamics. Zakopane, Poland.
3. The Oxford English Dictionary
4. The Merriam Webster Collegiate Dictionary
5. พลศาสตร์ของไหล, ฟิสิกส์ราชมงคล, http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/fluiddynamic.htm 2016-02-03 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
6. http://www.gotoknow.org/posts/440674

อื่น ๆ

• Loper, David E. (November 1966). An analysis of confined magnetohydrodynamic vortex flows (PDF) (NASA contractor report NASA CR-646). Washington: National Aeronautics and Space Administration. LCCN 67-60315.
• (1967). An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge Univ. Press. Ch. 7 et seq. ISBN .
• Falkovich, G. (2011). Fluid Mechanics, a short course for physicists. Cambridge University Press. ISBN .
• Clancy, L.J. (1975). Aerodynamics. London: Pitman Publishing Limited. ISBN .
• doi:10.1046/j.1365-8711.2001.04228.x
  This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
• พลศาสตร์ของไหล, ฟิสิกส์ราชมงคล, http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/fluiddynamic.htm 2016-02-03 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน