Toroidaalinen pyörre on aineen optimaalinen liikkeen muoto väliaineessa. Suppeassa merkityksessä ilmiö, jossa pyörivän nesteen tai kaasun alue liikkuu nesteen tai kaasun saman tai toisen alueen läpi. Toroidaalinen pyörre koostuu kahdesta pääosasta.
Esimerkki toroidisesta pyörteestä on savukkeen savurenkaat.
Toroidiset pyörteet ovat laajalti edustettuina luonnossa - nämä ovat savurenkaita; pyörteet pilvistä, jotka muodostavat renkaita; vedessä olevat suppilot ovat olennainen osa veden alla muodostuvaa pyörrettä. Pyörteitä esiintyy myös villieläimissä - esimerkiksi herkkusienissä ja meduusoissa. Yleensä ilmaan muodostuu jatkuvasti toroidisia pyörteitä, mutta ne eivät ole silmiemme ulottuvilla.
Saksalainen fyysikko Hermann von Helmholtz analysoi pyörrerenkaat ensin matemaattisesti vuoden 1867 artikkelissaan "Hydrodynaamisten yhtälöiden integraaleista, jotka ilmaisevat pyörteen liikkeitä" [1] .
Yksi tapa luoda pyörrerengas olisi upottaa tiivis massa nopeasti liikkuvaa nestettä A kiinteän nesteen B massaan ( A ja B voivat olla kemiallisesti samaa nestettä). Viskoosi kitka kahden nesteen rajalla hidastaa A-massan kerroksia suhteessa sen ytimeen, ja massan A liike eteenpäin muodostaa alentuneen paineen "varjon" takaapäin. Tästä johtuen B -massan kerrokset kiertävät massaa A ja kerääntyvät taakse, missä ne tulevat A :han nopeammin liikkuvan sisäosan jälkeen. Lopulta muodostuu poloidivirtaus, joka muodostaa pyörrerenkaan.
Suihkun etureunassa , jota joskus kutsutaan " lähdepilveksi ", on yleensä pyörrerengasrakenne, kuten myös savurenkaissa. Eristetyn pyörteen renkaan liikettä ja kahden tai useamman pyörteen vuorovaikutusta käsittelee esimerkiksi oppikirjan kirjoittaja Batchelor [2] .
Moniin tarkoituksiin pyörrerenkaan voidaan arvioida olevan pieni pyörreydin. Yksinkertainen teoreettinen ratkaisu, jota kutsutaan pallomaiseksi Hill-pyörteeksi [3] , tunnetaan kuitenkin olevan sellainen, jossa pyörre on jakautunut pallon sisälle (virtauksen sisäinen symmetria on kuitenkin edelleen rengasmainen). Sellaista rakennetta tai sähkömagneettista vastinetta on ehdotettu selitykseksi pallosalman sisäiselle rakenteelle . Esimerkiksi Shafranov käytti magnetohydrodynaamista (MHD) analogiaa Hillin kiinteän nesteen mekaanisen pyörteen kanssa harkitakseen tasapainoolosuhteita akselisymmetrisille MHD-konfiguraatioille, vähentäen ongelman paikallaan olevien kokoonpuristumattomien nestevirtausten teoriaan. Aksiaalisymmetriassa hän tarkasteli yleistä tasapainoa jakautuneille virroille ja päätteli viriaalilauseen perusteella , että jos painovoimaa ei olisi, rajoitettu tasapainokonfiguraatio voisi olla olemassa vain atsimuuttivirran läsnä ollessa.
Vortex ring state (VRS ) on helikopterilennoilla kohdattava vaarallinen tilanne . Vaikutus syntyy, kun seuraavat ehdot täyttyvät samanaikaisesti lennon aikana:
Ruuvin läpi alas liikkuva ilmavirta kääntyy ulospäin, nousee sitten ylös, imeytyy sisään ja laskee jälleen ruuvin läpi. Tämä virtauksen uudelleenkierrätys voi tehdä tyhjäksi suuren osan nostovoimasta ja johtaa katastrofaaliseen korkeuden menetykseen. Tehon lisääminen (iskukulman lisääminen) lisää alaspäin suuntautuvaa ilmavirtaa, jossa vähennys tapahtuu, mikä vain pahentaa tilannetta. Tästä tilasta pääsemiseksi on tarpeen viedä helikopteri pois pyörteestä "puhtaaseen ilmaan".
Yksi tärkeimmistä nesteilmiöistä, joita havaitaan vasemmassa kammiossa sydämen rentoutumisen ( diastolin ) aikana, on pyörrerengas, joka kehittyy voimakkaasti reaktiivisella virtauksella mitraaliläpän läpi . Näiden sydämen diastolen aikana kehittyvien virtausrakenteiden olemassaolo tunnistettiin alun perin kammiovirtauksen in vitro -kuvannuksella [4] [5] , minkä jälkeen niitä vahvistettiin väri-Doppler-kuvaukseen (US) [6] [7] ja magneettikuvaukseen perustuvan analyysin perusteella. . [8] [9] Jotkut viimeaikaiset tutkimukset [10] [11] ovat myös vahvistaneet pyörrerenkaan läsnäolon diastolin nopean täyttymisvaiheen aikana ja viittaavat siihen, että pyörrerenkaan muodostumisprosessi voi vaikuttaa mitraalisen renkaan dynamiikkaan .
Maxworthy [12] havaitsi eräänlaisen atsimutaalisen säteilysymmetrisen rakenteen, kun pyörrerengas liikkui kriittisellä nopeudella, joka on turbulentin ja laminaarisen tilan välissä. Myöhemmin Huang ja Chan [13] raportoivat, että jos pyörteen renkaan alkutila ei ole täysin pyöreä, tapahtuu toisenlaista epävakautta. Elliptinen pyörrerengas värähtelee, jossa se ensin venyy pystysuunnassa ja supistuu vaakasuunnassa, sitten kulkee välitilan läpi, jossa se on pyöreä, minkä jälkeen se muotoutuu päinvastaisessa järjestyksessä (venyy vaakasuunnassa ja supistuu pystysuunnassa suunta) ennen prosessin peruuttamista ja paluuta alkuperäiseen tilaan.