Vortex Rings (eBook)

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2009 | 2010
XIII, 149 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-642-05016-9 (ISBN)

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Vortex Rings - D. G. Akhmetov
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Vortex flow is one of the fundamental types of fluid and gas motion. These flows are the most spectacular in the form of concentrated vortices, characterized by the localization of vorticity (curl of velocity) in bounded regions of a space, beyond which the vorticity is either absent or rapidly falls down to zero. Concentrated vortices are often observed in nature, exemplified by atmospheric cyclones, whirlwinds and tornados, oceanic vortices, whirlpools on a water s- face, and ring vortices caused by explosive outburst of volcanoes. In technical - vices concentrated vortices form when flow separates from sharp edges of flying vehicles and ships. Among these are vortices flowing off the ends of airplane wings, and intentionally generated vortices for intensification of burning in c- bustion chambers, vortices in cyclonic devices used for mixing or separation of impurities in fluids and gases. One such remarkable and frequent type of conc- trated vortices is a vortex ring which constitutes a vortex tube closed into a t- oidal ring moving in a surrounding fluid like an isolated body out of contact with solid boundaries of the flow region if such boundaries exist. Formation and motion of vortex rings are important part of the dynamics of a continuum medium and have been studied for more than a century.

Abstract 5
Nomenclature 8
Greek Symbols 9
Introduction 10
1 Theoretical Models of Vortex Rings 13
1.1 Vortex Rings 13
1.2 Equations of Motion. Vorticity, Circulation, and Stream Function 15
1.3 Vorticity Distribution and Velocity Field of a Vortex Ring 17
1.4 Integral Characteristics of a Vortex Ring 19
1.5 Circular Line Vortex of Zero Cross-Section 22
1.6 Vortex Ring with Finite Cross-Section (Lamb’s Model) 24
1.7 Hill’s Spherical Vortex 29
1.8 Family of Steady Vortex Rings 30
1.9 Translational Velocity of a Vortex Ring 38
2 Hydrodynamic Structure of a Vortex Ring 41
2.1 Experimental Procedure 41
2.2 Hot-Wire Anemometry: Method for Measuring Two- Dimensional Velocity Field 43
2.3 Estimations of Measurement Accuracy of Two-Dimensional Velocity Field with Hot- Wire Probes 50
2.4 Velocity Field of Vortex Ring 57
2.5 Stream Function and Structure of Stream Lines 58
2.6 Vorticity Distribution. Vortex Core. Circulation 59
2.7 Dynamic Characteristics of a Vortex Ring 63
2.8 Other Investigations of Vortex Ring Structure 68
2.9 Comments on Experimental Methods of Studying Velocity Flow Field 71
3 Structure and Parameters of a Family of Vortex Rings Formed on Outflow of a Submerged Jet 74
3.1 Experimental Procedure 75
3.2 Criteria Determining Vortex Ring Formation Process 78
3.3 Basic Properties of Vortex Rings 79
3.4 Vortex Ring Parameters as Functions of Jet Length 80
3.5 Dependence of Vortex Ring Parameters on the Jet Reynolds Number 85
3.6 Dependence of Vortex Ring Parameters on the Nozzle Angle of Taper 92
3.7 Comparison between Some Conclusions from Theoretical Models of Vortex Rings and Experiment 92
4 Vortex Ring Formation 95
4.1 Vortex Ring Generation by Impulsive Motion of a Circular Disc 95
4.2 Vortex Ring Formation on Outflow of a Submerged Jet 97
5 Motion of Turbulent Vortex Rings 110
5.1 Statement of the Problem 111
5.2 Laws of Motion of a Turbulent Vortex Ring 113
5.3 Structure of a Turbulent Vortex Ring 118
6 Practical Implementation of Vortex Rings: Extinction of Fires at Gushing Gas and Oil Wells 125
6.1 Origination and Characteristics of Powerful Gas and Oil Gushers 125
6.2 Combustion of Gas and Oil Gushers. Conditions of Stabilization and Flame- Out 127
6.3 Determination of Flow Rate of Burning Underexpanded Gas Gushers 127
6.4 Physical Grounds for Extinguishing of a Diffusion Plume by an Air Vortex Ring 134
6.5 Principles of Scale Modeling and Calculation of Amount of Fire Extinguishing Agents 143
6.6 Extinguishing of Real Well Fires by a Vortex Ring 144
References 147
Index 154

Erscheint lt. Verlag 24.11.2009
Zusatzinfo XIII, 149 p.
Verlagsort Berlin
Sprache englisch
Themenwelt Naturwissenschaften Physik / Astronomie
Technik Bauwesen
Technik Maschinenbau
Schlagworte Applications of Vortex Rings • Dynamics • fluid- and aerodynamics • Fluid Dynamics • Hydrodynamics • Turbulence • Vortex Ring Motion • Vortex Rings
ISBN-10 3-642-05016-6 / 3642050166
ISBN-13 978-3-642-05016-9 / 9783642050169
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