En toroidal virvel är den optimala formen av rörelse av materia i ett medium. I en snäv mening, ett fenomen där ett område av en roterande vätska eller gas rör sig genom samma eller ett annat område av vätskan eller gasen. Den toroidala virveln består av två huvuddelar.
Ett exempel på en toroidal virvel är cigarettröksringar.
Toroidformade virvlar är brett representerade i naturen - dessa är rökringar; virvelvindar från moln som bildar ringar; trattar i vatten är en integrerad del av virveln som bildas under vatten. Virvelvindar finns också i vilda djur - till exempel champinjonsvampar och maneter. I allmänhet bildas ringformade virvlar ständigt i luften, men de är inte tillgängliga för våra ögon.
Vortexringar analyserades först matematiskt av den tyske fysikern Hermann von Helmholtz i hans 1867 artikel "On integrals of hydrodynamic equations which express vortex motions" [1] .
Ett sätt att skapa en virvelring skulle vara att bädda in en kompakt massa av snabbrörlig vätska A i en massa av stationär vätska B ( A och B kan kemiskt vara samma vätska). Viskös friktion vid gränsen mellan två vätskor saktar ner lagren av massa A i förhållande till dess kärna, och rörelsen av massa A framåt bildar en "skugga" av reducerat tryck bakifrån. På grund av detta går lagren av massa B runt massa A och samlas på baksidan, där de kommer in i A efter det snabbare rörliga inre. I slutändan bildas ett poloidalt flöde, som bildar en virvelring.
Framkanten av plymen , ibland kallad "källaplymen", har i allmänhet en virvelringstruktur, liksom rökringar. Rörelsen hos en isolerad virvelring och samverkan mellan två eller flera virvlar diskuteras till exempel i läroboksförfattaren Batchelor [2] .
För många ändamål kan en virvelring uppskattas ha en liten virvelkärna. Men en enkel teoretisk lösning, som kallas en sfärisk Hill-virvel [3] , är känd för att vara där virveln är fördelad inuti sfären (flödets inre symmetri är dock fortfarande ringformig). En sådan struktur eller elektromagnetisk motsvarighet har föreslagits som en förklaring till den inre strukturen hos kulblixtar . Till exempel använde Shafranov den magnetohydrodynamiska (MHD)-analogin med en orörlig Hill-vätskevirvel för att överväga jämviktsförhållandena för axisymmetriska MHD-konfigurationer, vilket reducerade problemet till teorin om stationära inkompressibla vätskeflöden. I axiell symmetri ansåg han en allmän jämvikt för distribuerade strömmar och drog slutsatsen under virialsatsen att om det inte fanns någon gravitation, kunde en begränsad jämviktskonfiguration endast existera i närvaro av en azimutström.
Vortex ring state (VRS ) är en farlig situation som uppstår i helikopterflygningar . Effekten uppstår när följande villkor uppfylls samtidigt under flygningen:
Luftflödet som rör sig ner genom skruven vänder sig utåt, stiger sedan, sugs in och går igen ned genom skruven. Denna återcirkulation av flödet kan upphäva mycket av lyftet och leda till en katastrofal höjdförlust. Att lägga på mer kraft (öka attackvinkeln) ökar det nedåtgående luftflödet i vilket minskningen sker, vilket bara förvärrar situationen. För att komma ur detta tillstånd är det nödvändigt att ta helikoptern ut ur virvelzonen "in i ren luft".
Ett av de viktigaste vätskefenomenen som ses i vänster kammare under hjärtavslappning ( diastole ) är virvelringen som utvecklas med ett starkt reaktivt flöde genom mitralisklaffen . Närvaron av dessa flödesstrukturer som utvecklas under hjärtdiastole upptäcktes initialt av in vitro ventrikulär flödesavbildning [4] [5] och förbättrades därefter baserat på analys baserad på färgdoppleravbildning (US) [6] [7] och magnetisk resonanstomografi . [8] [9] Vissa nya studier [10] [11] har också bekräftat närvaron av en virvelring under den snabba fyllningsfasen av diastole och tyder på att processen med att bilda virvelringar kan påverka mitralisringens dynamik .
En sorts azimutal strålningssymmetrisk struktur observerades av Maxworthy [12] när virvelringen rörde sig med en kritisk hastighet som ligger mellan turbulenta och laminära tillstånd. Senare rapporterade Huang och Chan [13] att om det initiala tillståndet för virvelringen inte är perfekt rund, kommer en annan typ av instabilitet att inträffa. En elliptisk virvelring oscillerar där den först sträcker sig i vertikal riktning och drar ihop sig i horisontell riktning, passerar sedan genom ett mellantillstånd där den är cirkulär, varefter den deformeras i omvänd ordning (sträcker sig i horisontell riktning och drar ihop sig i vertikal riktning) riktning) innan du backar processen och återgår till det ursprungliga tillståndet.