Возникновение и развитие турбулентности в газовых потоках принято связывать с гидродинамической неустойчивостью. Известны два типа течений, для которых построены теоретические модели. Это течение Пуазейля в кольцевом зазоре [1] и течение Куэтта между двумя коаксиальными вращающимися цилиндрами [2]. Для остальных реальных типов течений аналогичные модели не разработаны. С другой стороны, имеется большое число экспериментальных и теоретических исследований известного вихревого эффекта [3]. Вихревым эффектом называют явления, имеющие место в сильно закрученном сжимаемом газовом потоке. Потоки данного типа отличаются высоким уровнем турбулентности. В этих потоках наблюдается эффект энергоразделения: температура и давление газа в приосевой области вихревых потоков ниже, чем у входящего потока. Периферийный газовый поток имеет более высокую температуру, чем входящий. Это обуславливает большое число применений данного течения. Среди вихревых устройств значительную часть представляют вихревые холодильники, вихревые эжекторы и вакуумнасосы.

Значительное большинство экспериментальных исследований вихревого эффекта имели прикладной характер. Но даже в фундаментальных исследованиях в основном проводились измерения усредненных параметров газового потока. Это нашло отражение в большинстве теоретических работ, в которых разрабатывались эмпирические и полуэмпирические модели для расчета усредненных параметров. Это связано с тем, что диагностика структуры турбулентных потоков часто затруднительна. Следует заметить, что все известные методы зондирования турбулентных потоков мало применимы для изучения сверхзвуковых закрученных турбулентных потоков, имеющих место в вихревых расходных трубах, самовакуумирующихся вихревых трубах и т.д. Например, введение газодинамических датчиков в вихревой поток приводит по данным [4] существенному изменению структуры потока. Вихревые сверхзвуковые потоки, как известно, являются неизотермическими [3], поэтому метод термоанемометрирования неприменим, так как датчик термоанемометра будет одновременно фиксировать флуктуации давления, плотности и температуры, что приводит к серьезным трудностям при расшифровке сигнала.

Переход потока в турбулентный режим хорошо исследовался экспериментально, а в последнее время и теоретически, однако в данный момент нет общепринятой модели перехода ламинарного потока в турбулентный. Известны два сценария перехода в турбулентный режим. Полный переход к турбулентности есть либо повторное ветвление, при котором имеется цепочка последовательных потерь устойчивости течений с менее сложной структурой, переходящих в течения с более сложной структурой, либо скачкообразный переход к странному аттрактору. Возможно, существуют различные типы течений, для которых реализуются разные сценарии перехода от ламинарного потока к турбулентному. В большинстве реальных устройств длина газового канала недостаточна для достижения установившейся турбулентности. Структура потока в таких условиях определяются особенностями входного канала, а не только режимными параметрами, например, критерием Рейнольдса.

Проведенные нами исследования тлеющего разряда в вихревом потоке газа показали не только высокую устойчивость самостоятельного тлеющего разряда в вихревом газовом потоке (при повышении плотности газового потока срыва самостоятельного тлеющего разряда в дуговую форму не наблюдалось вплоть до атмосферных давлений). В ходе экспериментов было показано, что реальная мгновенная структура (газ практически неподвижен на временах пробоя) турбулентного закрученного потока в СВТ качественно отличается от усредненных характеристик данного класса течений. Полученные экспериментальные данные являются прямыми подтверждениями наличия локального понижения давления во вне осевой зоны. Локальное понижение давления (плотности) газа может быть вызвано наличием локальной вихревой нити прецессирующей вокруг оси вихревой трубы. Данная картина качественно согласуется с результатами работы [5], в которой проводились численный расчет средних температур и давлений для такого типа течений. Проведены оценки верхнего и нижнего пределов данного локального понижения плотности. Полученные результаты являются основой для создания принципиально нового, практически безинерционного метода диагностики сверхзвуковых закрученных турбулентных потоков.

1. Lighthill M.J. Turbulence. Chapter 2. - In: Osborne Reynolds and Engineering Science Today (eds. D.M. McDowell, J.D. Jackson). - Manchester: Manchester University Press, 1970.
2. Taylor G.I. Stability of viscous liquid contained between two rotating cylinders. - Phil. Trans. Roy. Soc. London, Ser. A, 1923, 223, p. 289-343.
3. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1968. 187 С.
4. Гупта А., Лилли А., Сайред Н. Закрученные потоки. - М.: Мир, 1987. С.588.

Борисов А.А., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Описание конвективного теплопереноса в вихревой трубке. // ДАН, 1993. Том 331, № 1. С. 28-31.