mini|Strömung um einen idealisierten Wirbelring Ein Wirbelring, auch Ringwirbel genannt, ist ein torusförmiger Wirbel in einer Flüssigkeit, d. h. ein Bereich, in dem die Flüssigkeit hauptsächlich um eine geschlossene Schleife als gedachte Linie des Wirbelkerns rotiert. Die Flüssigkeitsteilchen haben um den Kern die gleiche Winkelgeschwindigkeit. Daher ist die Bahngeschwindigkeit der äußeren Teilchen größer als die der inneren Teilchen und nimmt proportional zum Radius des Wirbelrings zu. Die so in einem Wirbelring induzierte Strömung erzeugt eine Geschwindigkeit parallel zur Ringachse. Durch diesen Schub bewegt sich der Ringwirbel mit konstanter Geschwindigkeit im Raum in einer Richtung senkrecht zur Ringebene. In der Abbildung des idealisierten Wirbelrings rechts wäre dies nach oben.
Je kleiner der Radius des Wirbels, desto größer ist seine Ausbreitungsgeschwindigkeit. In ruhiger Umgebung kann sich ein Wirbelring relativ weit ausbreiten und dabei die rotierende Flüssigkeit mit sich reißen. Folgt ein kleinerer Wirbel einem größeren, holt er diesen aufgrund seiner höheren Geschwindigkeit ein. Der kleinere Wirbel gleitet durch den größeren hindurch. In der Folge dehnt sich der kleinere Wirbel aus, während sich der größere Wirbel zusammenzieht. Nun ist der ehemals größere der schnellere und kann durch den kleineren hindurchgleiten. Dieses Wechselspiel wiederholt sich theoretisch unendlich oft. Ein Wirbelring, der sich auf eine Wand zu bewegt, dehnt sich aus und wird langsamer, während ein Ring, der sich von der Wand weg bewegt, sich zusammenzieht und schneller wird.
Wirbelringe können durch Schwebeteilchen sichtbar gemacht werden. Das ist etwa Rauchringen, der Fall. Sichtbare Wirbelringe können auch bei Vulkanausbrüchen entstehen. Feuerwirbelringe sind oft ein Trick von Feuerschluckern. Sichtbare Wirbelringe können auch beim Abfeuern von Geschützen und beim Atompilz von Kernwaffenexplosionen entstehen. Wirbelringe sind auch in vielen biologischen Strömungen zu beobachten; Blut wird in die linke Herzkammer des Menschen in Form eines Wirbelrings abgegeben und Quallen oder Tintenfische haben gezeigt, dass sie sich im Wasser fortbewegen, indem sie periodisch Wirbelringe in die Umgebung entladen. Für industrielle Anwendungen erwies sich schließlich der synthetische Strahl oder Jet, bestehend aus periodisch geformten Wirbelringen, als attraktive Technologie zur Strömungskontrolle, zum Wärme- und Stofftransport und zur Schuberzeugung.
Aufbau eines Wirbelrings mini|Funkenfotografiebild eines Wirbelrings im Flug. In einem typischen Wirbelring bewegen sich die Flüssigkeitsteilchen auf nahezu kreisförmigen Bahnen um einen gedachten Kreis (den Kern), der senkrecht zu diesen Bahnen steht. Ein solcher torusförmiger Wirbelring entsteht, wenn Luft durch eine runde Öffnung strömt. Aufgrund der Viskosität der Luft ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte des Luftstroms am höchsten und nimmt zum Rand der Öffnung hin ab. Der austretende Luftstrom reißt die umgebenden Luftschichten mit sich und erzeugt eine Zone verminderten Drucks. In diese Zone strömt von außen Luft ein, die von der Strömung mitgerissen wird. Wenn der Luftstrom zum Erliegen kommt, wird die Luft vor der Öffnung abgebremst, wodurch der Unterdruck verschwindet und die einströmende Luft sich in Richtung ihres Ursprungs bewegt. Durch diese Kreisbewegung bildet sich ein geschichteter, stabiler und torusförmiger Wirbel.
Im Gegensatz zu einer Meereswelle, die sich nur scheinbar bewegt, reißt ein sich bewegender Wirbelring das rotierende Fluid tatsächlich mit sich. Ähnlich wie ein rotierendes Rad die Reibung zwischen einem Auto und dem Boden verringert, verringert die torusförmige Strömung des Wirbelrings die Reibung zwischen dem Kern und der umgebenden stationären Flüssigkeit. Dadurch kann der Wirbelring eine lange Strecke mit relativ geringem Verlust an Masse und kinetischer Energie zurücklegen und seine Größe und Form weitgehend beibehalten. Dies erklärt zum Beispiel, warum ein Rauchring noch lange weiterfliegt, nachdem sich der zusätzlich ausströmende Rauch verflüchtigt hat. Mit einem solchen Wirbelring kann man sogar eine Kerze aus mehreren Metern Entfernung ausblasen. Ohne die Wirbelbildung würde die Druckwelle, die von der Öffnung ausgeht und deren Stärke mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, nicht ausreichen, um die Kerze zu löschen.
Erzeugung von Wirbelringen Die Bildung von Wirbelringen fasziniert die Wissenschaft seit mehr als einem Jahrhundert, angefangen mit William Barton Rogers, denn Monophosphan PH3 mit einem Zusatz von Diphosphan P2H4 ist selbstentzündlich. William Barton Rogers beobachtete bei dieser explosiven Verbrennung von Phosphin an Luft einen Ring von weißem, rauchigem Phosphorsäuregas H3PO4. Es bildete sich ein Wirbel, der sich beim Aufsteigen ausdehnte, wobei die Teilchen innerhalb des Rings in einer kontinuierlichen Schleife zirkulierten. Auch untersuchte er den Entstehungsprozess von Luftringen in Flüssigkeiten und Flüssigkeitsringen in Flüssigkeiten eingehend. Insbesondere William Barton Rogers nutzte eine einfache experimentelle Methode, indem er einen Flüssigkeitstropfen auf eine freie Flüssigkeitsoberfläche fallen ließ. Ein solcher fallender farbiger Flüssigkeitstropfen, z. B. Milch oder gefärbtes Wasser, bildet aufgrund der Oberflächenspannung an der Grenzfläche unweigerlich einen Wirbelring.
Eine von G. I. Taylor vorgeschlagene Methode zur Erzeugung eines Wirbelrings besteht darin, eine Scheibe aus dem Ruhezustand durch einen Impuls in Bewegung zu versetzen. Die Strömung teilt sich und bildet einen zylindrischen Wirbel, und wenn man die Scheibe künstlich auflöst, erhält man einen isolierten Wirbelring. Dies ist der Fall, wenn jemand seine Kaffeetasse mit einem Löffel umrührt und die Ausbreitung eines Halbwirbels in der Tasse beobachtet.
Für die Erzeugung und Untersuchung von Ringwirbeln im Labor eignet sich beispielsweise ein 160 l Wasserbecken aus Plexiglas mit den Abmessungen 1 m × 0,4 m × 0,4 m. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mit einem Laser-Doppler-Anemometer gemessen. Der Wirbelgenerator besteht aus einem Plexiglaszylinder von 20 cm Durchmesser in der Beckenwand, der zum Beckeninneren hin mit einem 25 cm langen Rohr von 5 cm Durchmesser abgeschlossen ist. Außerhalb des Beckens ist der Plexiglaszylinder über einen kurzen Schlauch mit einem Edelstahlzylinder gleichen Durchmessers verbunden. In diesem Vorschubzylinder bewegt sich ein Kolben mit Teflondichtung, dessen stoßartige Vorschubbewegung die Ringwirbel an der Rohrmündung im Becken erzeugt. Für die Festlegung der Anfangsbedingungen und die Reproduzierbarkeit der Ringwirbel ist eine genau definierte Kolbenbewegung von entscheidender Bedeutung.
Die Ringwirbelbildung zeigt die Anfärbung der wandnahen Flüssigkeitsschicht an der Rohrmündung. Die Streichlinienbilder geben qualitative Informationen über die Strömung während der Entstehungsphase. Mit Beginn der Kolbenbewegung bildet sich an der Rohrwand eine Grenzschicht aus, die sich am Rohrende ablöst und spiralförmig aufrollt. Das Zentrum des so gebildeten Wirbelkerns besteht aus Flüssigkeitspartikeln, die sich zu Beginn der Ausstoßbewegung unmittelbar am Rohrrand befanden. Während des Ausstoßvorgangs bildet die farbige und rotierende Flüssigkeitsschicht, die den sich aufrollenden Wirbel mit der Mündung verbindet, einen annähernd geraden Zylindermantel. Dieser markiert die Grenzfläche zwischen der verdrängten Flüssigkeit und der umgebenden Flüssigkeit, die teilweise in den Wirbel eingerollt wird. Die Entwicklung des Ringwirbels kann in 4 Stadien eingeteilt werden: Wirbelbildung, laminares Stadium, instabiler Bereich, turbulentes Stadium.
Gebundene Wirbelringe Ringwirbel hinter frontal umströmten Kugeln oder Scheiben mini|Ringwirbel hinter umströmten Kugeln und Scheiben bei nicht zu hohen Reynolds-Zahlen Werden Kugeln oder Scheiben des Durchmessers D von einer viskosen Flüssigkeit der kinematischen Viskosität frontal umströmt, so kann bei zu hoher Geschwindigkeit v die rotationssymmetrische Strömung der Form des Körpers nicht mehr folgen und es kommt stromabwärts zu einer Strömungsablösung. Dabei entsteht im Strömungsschatten der Kugel oder Scheibe ein gebundener Ringwirbel. Diese Wirbel sind zeitunabhängig und erhalten Energie und Wirbeldichte vom Rand her. Bei niedrigen Reynolds-Zahlen Re = v · D / sind sie an die Kugel oder Scheibe gebunden. Mit steigender Reynolds-Zahl tritt die Strömungsablösung früher ein und der Ringwirbel wird größer. Gebundene Ringwirbel um umströmte Kugeln treten im Reynolds-Zahlbereich von 20 bis 400 auf.
Wirbelringe bei Rohrströmungen mini|Wirbel bei Rohrerweiterungen und Lochblenden in Rohren Gebundene Ringwirbel können hinter abrupten Rohrerweiterungen entstehen. Wird der Rohrquerschnitt plötzlich vergrößert, kann die Strömung dem vergrößerten Rohrquerschnitt nicht mehr folgen, was zu einer Strömungsablösung führt. In der entstehenden Totwasserzone bildet sich ein gebundener Ringwirbel. Bei Verengungen oder blendenförmigen Öffnungen im Rohr wird die Strömung in der Öffnung eingeschnürt. Diese Verengung wird als Vena contracta bezeichnet und reduziert den Durchfluss durch das Rohr. Strömungsablösungen können sowohl vor als auch hinter einem Hindernis auftreten und führen zur Ausbildung von Ringwirbeln im Totwasserbereich vor und hinter der Verengung.
Wirbelringe stabilisieren den Flug der Samen des Löwenzahns mini|Schirmflieger (Pappus) des Löwenzahns, der zur Stabilisierung des Fluges einen separaten Wirbelring erzeugt Es gibt Untersuchungen und Experimente über die Existenz von gebundenen Wirbelringen, wie sie im Windschatten des Pappus des Löwenzahns entstehen. Dieser spezielle Wirbelring stabilisiert den Samen auf seinem Weg durch die Luft und erhöht den Auftrieb des SamensFlow dynamics of a dandelion pappus: A linear stability approachA separated vortex ring underlies the flight of the dandelion. Im Gegensatz zu einem normalen Wirbelring, der stromabwärts getrieben wird, bleibt der axialsymmetrische gebundene Wirbelring während des gesamten Fluges am Pappus haften und nutzt den Luftwiderstand zur Verbesserung des Fluges. Diese Pusteblumenstrukturen wurden verwendet, um winzige batterielose drahtlose Sensoren herzustellen, die im Wind schweben und über ein großes Gebiet verteilt werden könnenWind dispersal of battery-free wireless devices.
Wirbelringzustand eines Helikopters
mini|Die gekrümmten Pfeile zeigen die Zirkulation des Luftstroms um die Rotorscheibe an. Der abgebildete Hubschrauber ist der RAH-66 Comanche. Wenn ein Hubschrauber bei geringer Vorwärtsgeschwindigkeit sehr schnell sinkt, kann er vom eigenen Abwind erfasst werden. Die Luft des Abwindes umströmt den Hauptrotor des Hubschraubers und wird von diesem wieder angesaugt. Dieser gefährliche Zustand wird als Wirbelringzustand oder Sinken im eigenen Rotorabwind bezeichnet. In diesem Zustand dreht sich die durch den Rotor nach unten strömende Luft nach außen, dann nach oben, nach innen und wieder nach unten durch den Rotor. Diese Umwälzung der Strömung kann einen großen Teil des Auftriebs zunichtemachen und zu einem katastrophalen Höhenverlust führen. Wird mehr Leistung gegeben (durch Erhöhung des Pitch), wird der Abwind, der den Hauptrotor nach unten zieht, weiter beschleunigt, was die Situation noch verschlimmert. Der Pilot hat nun große Schwierigkeiten, genügend Auftrieb zu erzeugen, um den Sinkflug zu stoppen.
Der Wirbelringzustand kann verlassen werden, indem der Hubschrauber wieder Fahrt aufnimmt. Der Abwind fließt dann wie im Reiseflug nach hinten ab und kann nicht mehr rezirkulieren.
Freie Wirbelringe