กระแสวน

บทความนี้เกี่ยวกับพลศาสตร์ของไหล สำหรับทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ดูที่ กระแสฟูโก

ในพลศาสตร์ของไหล กระแสวน (อังกฤษ: vortex) เป็นพื้นที่ภายในของไหลที่ไหลโดยการเคลื่อนที่ด้วยการหมุนรอบแกนสมมติในแนวเส้นตรงหรือเส้นโค้ง รูปแบบของการเคลื่อนที่นั้นเรียกว่า การไหลวน (vortical flow)^[1][2] (พหูพจน์เดิมและที่พบมากที่สุดของคำว่า "กระแสวน" ในภาษาอังกฤษคือ vortices^[3] แม้ว่าคำว่า vortexes มักจะถูกใช้บ่อยก็ตาม)^[4]

เส้นทางผ่านของอนุภาคของไหลรอบแกน (เส้นประ) ของกระแสวนในอุดมคติที่ไหลโดยไม่มีการหมุน (ideal irrotational vortex) (ดู animation)

กระแสวนของรูระบายน้ำของอ่างล้างมือ (plughole vortex)

กระแสวนอยู่ในรูปแบบของของไหลที่ถูกกวนเข้าด้วยกันรวมทั้งของเหลว ก๊าซ และพลาสมา บางตัวอย่างส่วนใหญ่จะเป็นวงแหวนควัน (smoke ring), แอ่งน้ำวน (whirlpool) มักจะเห็นได้บ่อย ๆ จากร่องรอยทางผ่าน (wake) ของเรือและใบพาย, และลมบริเวณพื้นที่โดยรอบพายุทอร์นาโด, เฮอริเคน และพายุฝุ่น (dust devil) กระแสลมวนในรูปแบบของร่องรอยทางผ่านของเครื่องบินและการมีคุณลักษณะที่โดดเด่นของชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี เป็นต้น

กระแสวนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow) ในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอก ความฝืดหนืด (viscous friction) ภายในของไหลมีแนวโน้มที่จะจัดระเบียบการไหลเข้าในกลุ่มที่เรียกว่า กระแสวนที่ ไหลโดยไม่หมุน (vortices irrotational) การไหลโดยไม่หมุน (Irrotational flow) คือ ในบริเวณโดยรอบจุดหนึ่ง ๆ ในของไหล จะไม่มีอนุภาคของของไหลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเชิงมุมรอบจุดนั้น ๆ เลย^[5] ภายในกระแสวนนั้น ความเร็วของเหลวเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดถัดไปจากแกนจินตภาพหรือแกนสมมุติ และจะลดลงเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางจากแกน การหมุนวน (vorticity) (ขดความเร็วของของเหลว) มีค่าสูงมากในอาณาบริเวณหลักโดยรอบแกน และเกือบจะเป็นศูนย์ในส่วนที่เหลือของกระแสวน ในขณะที่ความดันลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเข้าไปใกล้เป็นระยะทางหนึ่งในบริเวณนั้น

กระแสวนที่เกิดขึ้นครั้งหนึ่ง สามารถเคลื่อนย้าย ยืดตัว บิดเป็นเกลียว และมีปฏิสัมพันธ์กันในรูปแบบที่ซับซ้อน การเคลื่อนที่ของกระแสวนจะนำพาซึ่งโมเมนตัมเชิงมุมและเชิงเส้น พลังงาน และมวลมาด้วย ในกระแสวนนิ่ง เส้นกระแส (streamlines) และเส้นทางผ่าน (pathlines) จะถูกปิด

คุณสมบัติ

เมฆคอนเทรล (contrail)^[6] ที่มีความไม่เสถียรแบบคราว (Crow Instability) แสดงให้เห็นถึงกระแสของการไหลวน

รูปแบบการหมุนวน

การหมุนวนในกระแสวนขึ้นอยู่กับว่าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแตกต่างกันไปเป็นระยะ R จากแกนเท่าใด

• ถ้าของไหลหมุนเหมือนกับเป็นวัตถุแข็งเกร็ง (rigid body) นั่นคือถ้า v เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเดียวกับ r ลูกบอลกลมเล็ก ๆ ที่สมมติเปรียบเทียบให้ดำเนินการโดยการไหลของของไหลนี้ก็จะหมุนวนรอบจุดศูนย์กลางราวกับว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของวัตถุที่แข็งเกร็งนั้น

Rotational (rigid-body) vortex

${\displaystyle {\vec {\omega }}_{vorticity}={\frac {v_{\theta }}{r}}+{\frac {dv_{\theta }}{dr}}=2{\vec {\omega }}_{ang.velocity}}$

• ถ้าอัตราเร็ว v ของอนุภาคแปรผกผันกับระยะทาง r แล้วลูกบอลกลมทดสอบในจินตนาการนี้จะไม่หมุนไปมากเกินกว่าตัวของมันเอง มันจะรักษาแนวทิศทางการวางตัวให้อยู่ในลักษณะแบบเดียวกันในขณะที่กำลังเคลื่อนที่เป็นวงกลมไปรอบ ๆ เส้นกระแสวน

ดูเพิ่ม

• Artificial gravity
• Batchelor vortex
• Biot–Savart law
• Coordinate rotation
• Cyclonic separation
• Eddy
• Gyre
• Helmholtz's theorems
• History of fluid mechanics
• Horseshoe vortex
• Hurricane
• Kelvin–Helmholtz instability
• Quantum vortex
• Shower-curtain effect
• Strouhal number
• Viktor Schauberger
• Vile Vortices
• Von Kármán vortex street
• Vortex engine
• Vortex tube
• Vortex cooler
• Vortex shedding
• Vortex stretching
• Vortex induced vibration
• Vorticity
• Wormhole