En dinámica de fluidos , el vórtice de Lamb – Oseen modela una línea vórtice que decae debido a la viscosidad . Este vórtice recibe el nombre de Horace Lamb y Carl Wilhelm Oseen ya que fueron ellos los descubridores.[ 1] .[ 2]
Gráfico vectorial del campo de velocidad del vórtice de Lamb-Oseen.
Evolución de un vórtice de Lamb-Oseen en el aire en tiempo real. Las partículas de prueba que flotan libremente revelan el patrón de velocidad y vorticidad. (escala: la imagen tiene 20 cm de ancho)
Descripción matemática
Oseen buscó una solución para las ecuaciones de Navier-Stokes en coordenadas cilíndricas
(
r
,
θ θ -->
,
z
)
{\displaystyle (r,\theta ,z)}
con componentes de velocidad
(
v
r
,
v
θ θ -->
,
v
z
)
{\displaystyle (v_{r},v_{\theta },v_{z})}
de la siguiente forma:
v
r
=
0
,
v
θ θ -->
=
Γ Γ -->
2
π π -->
r
g
(
r
,
t
)
,
v
z
=
0.
{\displaystyle v_{r}=0,\quad v_{\theta }={\frac {\Gamma }{2\pi r}}g(r,t),\quad v_{z}=0.}
donde
Γ Γ -->
{\displaystyle \Gamma }
es la circulación del núcleo del vórtice. Esto lleva a reducirse a las ecuaciones de Navier-Stokes a
∂ ∂ -->
g
∂ ∂ -->
t
=
ν ν -->
(
∂ ∂ -->
2
g
∂ ∂ -->
r
2
− − -->
1
r
∂ ∂ -->
g
∂ ∂ -->
r
)
{\displaystyle {\frac {\partial g}{\partial t}}=\nu \left({\frac {\partial ^{2}g}{\partial r^{2}}}-{\frac {1}{r}}{\frac {\partial g}{\partial r}}\right)}
que cuando se somete a las condiciones que son regulares en
r
=
0
{\displaystyle r=0}
y se convierte en la unidad como
r
→ → -->
∞ ∞ -->
{\displaystyle r\rightarrow \infty }
, lleva a[ 3]
g
(
r
,
t
)
=
1
− − -->
e
− − -->
r
2
/
4
ν ν -->
t
,
{\displaystyle g(r,t)=1-\mathrm {e} ^{-r^{2}/4\nu t},}
donde
ν ν -->
{\displaystyle \nu }
es la viscosidad cinemática . En
t
=
0
{\displaystyle t=0}
tenemos un vórtice potencial con una concentración de vorticidad en el
eje
z
{\displaystyle z}
y esta vorticidad se dispersa con el paso del tiempo.
El único componente de vorticidad no nula está en la dirección
z
{\displaystyle z}
dada por
ω ω -->
z
(
r
,
t
)
=
Γ Γ -->
4
π π -->
ν ν -->
t
e
− − -->
r
2
/
4
ν ν -->
t
.
{\displaystyle \omega _{z}(r,t)={\frac {\Gamma }{4\pi \nu t}}\mathrm {e} ^{-r^{2}/4\nu t}.}
El campo de presión simplemente asegura que el vórtice gire en la dirección de la circunferencia, proporcionando la fuerza centrípeta
∂ ∂ -->
p
∂ ∂ -->
r
=
ρ ρ -->
v
2
r
,
{\displaystyle {\partial p \over \partial r}=\rho {v^{2} \over r},}
donde ρ es la densidad constante.[ 4]
Referencias
↑ Oseen, C. W. (1912). Uber die Wirbelbewegung in einer reibenden Flussigkeit. Ark. Mat. Astro. Fys., 7, 14-26.
↑ Saffman, P. G.; Ablowitz, Mark J.; J. Hinch, E.; Ockendon, J. R.; Olver, Peter J. (1992). Vortex dynamics . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-47739-5 . p. 253.
↑ Drazin, P. G., & Riley, N. (2006). The Navier-Stokes equations: a classification of flows and exact solutions (No. 334). Cambridge University Press.
↑ G.K. Batchelor (1967). An Introduction to Fluid Dynamics . Cambridge University Press.