Sekundær straum

Ein sekundær straum er i væskedynamikk ein relativt liten straum oppå ein primær straum, der primærstraumen vanlegvis ligg tett opp til det straumingsmønsteret ein studer med enkle analytiske teknikkar når ein reknar væska som ikkje-viskøs. Ei ikkje-viskøs væske er ei teoretisk væske med null viskositet.

Om ein ser bort frå områda tett opp til faste flater nede i væska, er den primære straumen i ei væske vanlegvis særs lik den ein ville hatt i ei ikkje-viskøs væske når ein nyttar grunnleggande fysiske prinsipp. I verkelege straumar finst det derimot område i straumfeltet som skil seg kraftig ut i både snøggleik og retning i forhold til det som er venta for ein slik ikkje-viskøs straum. Straumen i desse områda er den sekundære straumen. Desse områda finn ein vanlegvis nær grenseområda mellom straumen og faste overflater, der ein finn viskøse krefter, slik som i grenselaget.

Døme på sekundære straumar

Vind nær bakken

Dei grunnleggande fysiske prinsippa og corioliseffekten kan på tilfredsstillande måte forklare at vindretninga i atmosfæren er parallell til isobarar. Målingar av vindsnøggleiken og retninga i høgder godt over bakken stadfestar at vindsnøggleiken ligg tett opp til gradientvinden, og at vindretninga verkeleg er parallelle med isobarane i området. Frå bakken og opp til høgdene der ein kan sjå bort frå påverknaden frå jordoverflata, er vindsnøggleiken mindre enn det ein kan vente ut frå det lufttrykket, og vindretninga går delvis over isobarane, og er ikkje heilt parallelle med dei. Denne straumen som kryssar isobarane nær overflata er ein sekundær straum. Han stemmer ikkje overeins med hovudstraumen, som er parallell med isobarane.

I høgder godt over bakken er det ein balanse mellom corioliseffekt, den lokale trykkgradienten og farten til vinden. Dette er balansert straum. Nærmare bakken er ikkje lufta i stand til å akselerere til snøggleiken som er naudsynt for å oppnå balansert straum. Som følgje av dette er vindretninga nær bakkenivå berre delvis parallell med isobarane i området, og delvis på tvers av isobarane i retning frå høgare trykk mot lågare trykk.

Som følgje av den lågare vindsnøggleiken nær jordoverflata er lufttrykket i eit lågtrykk vanlegvis langt høgare ved overflata enn det ein kunne venta ut frå lufttrykket i midlare høgder. Dette kjem av Bernoulliprinsippet. Som eit resultat vert den sekundære straumen mot sentrum av eit lågtrykk òg trekt oppover av det langt lågare trykket i mildare høgder. Denne treige, utbreidde luftstiginga i eit område rundt lågtrykk, kan ofte føre til omfattande skydekke og regn, om lufta er fuktig nok.

I eit område med høgtrykk (ein antisyklon), fører den sekundære straumen til at lufta over store område sakte søkk mot bakken frå mildbare breidd, og så utover på tvers av isobarane. Denne nedsøkkinga skapar ein reduksjon i relativ fukt og forklarer kvifor høgtrykksområde ofte har skyfri himmel i mange dagar.

Tropiske syklonar

Hovudstraumen rundt ein tropisk syklon er parallell til isobarane - og derfor sirkulær. Jo nærare sentrum av syklonen ein kjem, jo høgare er vindsnøggleiken. I følgje Bernoulliprinsippet, er lufttrykket lågast der vindsnøggleiken er høgast. Som følgje av dette er lufttrykket nær sentrum av syklonen særs lågt. Det er ein sterk trykkgradienten på tvers av isobarane mot senteret av syklonen. Denne trykkgradienten skapar ei sentripetalkraft som er naudsynt for den sirkulære rørsla til kvar luftpakke. Denne sterke gradienten, i lag med svakare vind nær jordoverflata, fører til ein sekundær straum nær overflata mot sentrum av syklonen, i staden for ein fullstendig sirkulær straum.

Sjølv om vinden nær senteret av ein tropisk syklon er særs høg, er han ikkje så høg som i høgda over, der effekten av jordoverflata er mindre. Den svakare vinden over jordoverflata hindrar luftrykket i å falle så lågt som ein kunne vente ut frå lufttrykket i høgda. Denne heng saman med Bernoulliprinsippet. Sekundærstraumen nær jordoverflata går mot senteret av syklonen, men òg trekt oppover av det lågare trykket i høgda. Den stigande luftrørsla fører til at lufta vert avkjølt og trykket fell, og dette skapar ofte særs kraftig regn over fleire dagar.

Tornadoar og støvkvervlar

Eit døme på ein støvkvervel.

Tornadoar og støvkvervlar er lokale virvelstraumar. Væskerørsla deira liknar tropiske syklonar, men på ein skala som er så liten at corioliseffekten ikkje lenger er viktig. Hovudstraumen er sirkulær rundt den vertikale aksen til tornadoen eller størkvervelen. Som med alle virvelstraumar er vindstyrken høgast nær sentrum av virvelen. I følgje Bernoulliprinsippet er vinden kraftigast der trykket er lågast, og svakast der trykket er høgast. Som følgje av dette er lufttrykket lågt nær senteret av tornadoen eller støvvirvelen. Det er ein trykkgradient mot senteret av virvelen. Denne gradienten, i tillegg til at vinden er svakare nær jordoverflata, skapar ein sekundær straum mot senteret av tornadoen eller støvvirvelen, i staden for eit reint sirkulært straummønster.

Den svakare vinden nær overflata hindrar lufttrykket i å falle så mykje som ein kunne vente ut frå lufttrykket i høgda. Dette kjem av Bernoulliprinsippet. Den sekundære straumen går mot senteret av tornadoen eller støvvirvelen og vert så trekt oppover av det langt lågare trykket i høgda, opp til fleire tusen meter over bakken i ein tornado eller fleire hundre meter i ein støvvirvel. Tornadoar kan vere særs øydeleggjande og den sekundære straumen kan føre til at lause lekamar vert dradd inn mot sentrum og opp i høgda.

Støvvirvlane kan ein sjå ved støv som vert piska opp frå bakken og så dradd inn mot sentrum av den sekundære straumen, der ein finn den høgaste støvkonsentrasjonen. Støvet vert så dradd oppover i høgda av den stigande luftrørsla.

Sekundær straum i ein kopp

Når vatn i ein sirkulær kopp strøymer i ei sirkulær rørsle, kan ein alltid sjå virvlar i vatnet. Vatnet i midten av koppen roterer med relativt høg snøggleik, og vatnet i utkanten av koppen går saktare. vatnet vert litt djupare langs ytterkanten av koppen, og litt grunnare mot midten, og vassoverflata er ikkje flat, men heller inn mot midten av rotasjonsaksen. Ved alle punkt i vatnet er trykket litt høgare nær ytterkanten av koppen, der vatnet er litt djupare, enn nærmare senteret. Vasstrykket er litt større der snøggleiken til vasstraumen er litt treigare, og trykket er litt mindre der snøggleiken er størst, og dette er konsistent med Bernoulliprinsippet.

Det finst ein trykkgradient frå ytterkanten av koppen mot senteret. Denne trykkgradienten skapar ei sentripetalkraft som er naudsynt for den sirkulære rørsla til kvar vasspakke. Trykkgradienten skapar òg ein sekundær straum i grenselaget i vatnet som går på tvers av sirkelrørsla til hovudstraumen. Denne treigare vassrørsla i grenselaget klarar ikkje å balansere trykkgradienten. Grenselaget går i spiral innover mot rotasjonsaksen til vatnet. Når han når senteret, går den sekundærs straumen så oppover mot overflata, og blandar seg gradvis med primærstraumen. Nær overflata kan det òg finnast ein sekundær straum utover mot ytterkanten.

Den sekundære straumen langs botn av koppen kan ein sjå om ein puttar sukker, sandkorn, ris eller teblad i vatnet og så rører rundt. Grenselaget går i spiralar innover og tar med seg partiklane, som vert samla i ein liten haug nær midten av koppen. Med vatn som sirkulerer i koppen kunne ein kanskje vente at partiklane vart kasta ut mot ytterkanten av koppen, men i staden vert dei pressa inn mot midten på grunn av den sekundære straumen langs botn av koppen.

Elvesvingar

Vatn som renn gjennom ein sving i ei elv må følgje bøygde straumlinjer for å ikkje renne over elvebreidda. Vassflata er noko høgare nær den konkave breidda enn nær den konvekse breidda. Det går ein trykkgradien frå konkave breidda mot den konvekse breidda. Sentripetalkrafta er naudsynt for at kvar vasspakke skal kunne følgje ein bøygd bane, og denne sentriptalkrafta er det trykkgradienten som skapar.

Primærstraumen rundt svingen er virvelstraumen - raskast der kurveradiusen er minst og treigast der radiusen er størst. Det høgare trykket nær den konkave breidda kjem i lag med svakare vasstraum, og det lågare trykket nær den konvekse breidda kjem i lag med sterkare straum, noko som følgjer av Bernoulliprinsippet.

Det finst òg ein sekundær straum i grenselaget langs botn av elveleiet. Grenselaget flyttar seg ikkje raskt nok til å balansere trykkgradienten, så straumen går delvis langs hovudstraumen og delvis på tvers av straumen frå den konkave breidda mot den konvekse breidda, driven av trykkgradienten. Den sekundære straumen vert så oppoverretta mot overflata der han blandar seg med hovudstraumen eller flyttar eg sakte langs overflata, tilbake til den konkave breidda. Denne rørsla vert kalla helikoid straum.

På botn av elveleiet fører den sekundære straumen med seg sand, avleiringar og grus på tvers av elva og set det av nær den konvekse breidda, på liknande måte som sukkeret eller teblada smalar seg i midten av koppen, som skildra over. Elvebreidder har ofte ei konveks breidde som er grunn og består av sand, avleiringar og grus, og ei konkav breidde som er bratt og kraftig erodert. Denne prosessen kan føre til at det vert danna meander eller kroksjøar.

Straumingsmaskin

Sekundære straumar er viktige i å forstå korleis turbinar og andre straumingsmaskinar fungerer.

Mange former for sekundære straumar skjer i straumingsmaskinar, som til dømes inntaksrotasjon, at straumen deler seg eller at det oppstår sekundære virvlar.

Sjå òg

• Ekmanlag
• Langmuirsirkulasjon

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Secondary flow» frå Wikipedia på engelsk, den 30. juni 2010.
  • Wikipedia på engelsk oppgav desse kjeldene:
  • Dixon, S.L. (1978), Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery pp 181-184, Third edition, Pergamon Press Ltd, UK ISBN 0-7506-7870-4

Referansar

Bakgrunnsstoff

• Visualisering og forklaring av sekundære straumar
• Coupled CFD and Thermal Steady State Analysis of Steam Turbine Secondary Flow Path Arkivert 2009-11-29 ved Wayback Machine.