Сирович с соавторами ( Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226) обнаружили, что на поверхности твёрдого тела в пограничном слое появляется система парных вихрей Тейлора
вращающихся и двигающихся в противоположные стороны (авторы назвали их вихревыми волнами). Т.к. они двигаются перпендикулярно потоку, то поток их сносит и их траектории приобретают вид.
Трение скольжения уничтожает вихри только для того, чтобы они возникали вновь и вновь.
Элементами вихрей могут быть только вихри. Ведь в противном случае работала бы классика 3 закона Ньютона, а не правило прецессии и противодействующая сила, направленная против действующей, уничтожила бы вращение. И вихри существовать не смогли бы. Поэтому и жидкая, и газовая среды имеют структуру, состоящую из элементарных вихрей, которыми могут быть только вихри Бенара. Ведь только вихри Бенара способны сформировать броуновское движение.
И в газах, и в жидкостях свободного объёма катастрофически не хватает. В современной же статистической физике развивается кластерное напраление исследований. Т.е. в статистическом хаосе по щучьему велению и хотению теоретиков формируются кластеры (они экспериментально были обнаружены в 50 годах прошлого столения), которые то формируются, то исчезают по воле всё той же всесильной щуки. Логика полностью отсутствует, сплошная математика без грана физической мысли. В то же время вихри Бенара чрезвычайно изменчивы, они могут как вытянуться змеёй и проползти в щель между соседними вихрями, так и сжаться в бочонок, расталкивая соседей в своём новом месте обитания. Поэтому покой системе элементарных вихрей может только сниться, что и формирует броуновское движение в газах и жидкостях.
Жидкая или газовая среда пришла в движение. Элементарные вихри среды начинают скольжение по поверхности твёрдого тела. Сила трения скольжения действует на элементарные вихри. По правилу прецессии противодействующая сила действует на вихревые объекты в перпендикулярном направлении. Но мы имеем дело не с отдельными вихревыми объектами, а с перепутанным клубком вихревых бечёвок. И противодействующая сила действует на запутанный клубок из элементарных вихрей. Применяя правило прецессии мы увидим, что вихревой клубок обязан получить вращение. Но для вихревых объектов также действует закон сохранения момента количества движения. Поэтому в перепутанной системе из элементарных вихрей в соответствии с законом сохранения момента количества движения должны возникнуть когерентные системы парных вихрей, пока что только вращающиеся в противоположных направления.
В результате на поверхности твёрдого тела возникает ковёр из вращающихся элементарных вихрей, с одной стороны от центра вращающиеся по часовой стрелке, а с другой стоне против часовой стрелки. И в каждой стороне все вихри вращаются в одном направлении. Т.е. в месте контакта
соседние вихри вращаются в противоположных направлениях. Сила трения между вихрями возникает в тангенциальном направлении, а противодействующая сила действует перпендикулярно рисунку. И не щучье веление, а хотение самих вихрей заставляет их двигаться в противоположных направлениях, что и обнаружили Сирович с соавторами.
Таким образом над поверхностью твёрдого тела в пограничном слое появляется система ковров из двигающихся элементарных вихрей. Над ней же также расположен клубок из запутанных элементарных вихрей, на который действует сила трения скольжения от ниже расположенного ковра из двигающихся элементарных вихрей. Т.к. они двигаются перпендикулярно потоку, то сила трения скольжения заставляет новую систему из вихрей вращаться и двигаться по потоку, увеличивая скорость их движения. Продолжая эту логику дальше, мы увидим, что скорость движения среды должна увеличиваться при отдалении от поверхности твёрдого тела, что и формирует пограничный слой в двигающейся относительно тела среды. В результате при движении среды в трубопроводе создаётся течение Пуазейля.
Рисунок 4
Ненулевую же завихрённость может создать только изложенный механизм, а не беззубые кластеры статистической физики.
Но не всем же поверхностям повезло располагаться горизонтально. В Алтайских горах есть Бащелакские озёра.
Рисунок 5
Вода, вытекающая по склону из второго озера, формирует вихри Тейлора,
Рисунок 6
которые по стрелке на рис 5 течёт в гору примерно 6 или 7 км. Согласно же рис 6 можно дать как классическое объяснение, так и объяснение с позиции вихревого движения. Атмосфера давит на поверхность воды и разлагая силу мы получаем составляющую параллельную склону. Сила же трения скольжения о поверхность склона создаёт силу противоположного направления. Момент сил и создаёт вихри Тейлора, которые катясь по склону уничтожают гидродинамическое сопротивление, позволяя воде катиться вверх порядка 6 или 7 км.
С другой стороны берём рис 2 и начинаем его крутить в плоскости рисунка. И в каком-то положении голубая стрелка совпадёт с углом склона. И вихри соответствующего направления вращения начнут по склону катиться (вихри противоположного направления исчезнут). И вновь вода будет течь вверх порядка 6 или 7 км. На рис 6 склон даже более крутой чем требуется, что тем более сформирует вихри. И нам только остаётся голубой стрелкой рисунка Сировича с соавторами (в варианте рис 6) очертить окружность для того, чтобы получить профиль конфузора сопла Лаваля.
Рисунок 7
Но конечно же в этом случае будут формироваться уже не вихри Тейлора, как в случае Бащелакских озёр, а вихри Бенара.
Рисунок 8
Сформированные в конфузоре вихри Бенара попадают в диффузор. А они приспособлены двигаться по цилиндру, а не по диффузору. Ведь среда из хобота попадает на периферию, свою кинетическую энергию в полном соответствии с правилом прецессии преобразуя в энергию вращения на периферии.
Внешний радиус вихря по периферии в диффузоре постоянно увеличивается, что ведёт к изменению угловой скорости вращения периферии. Соответственно уменьшается и осевая скорость периферии. Хобот, который и наблюдается в экспериментах,
Рисунок 9
за счёт этого как бы двигается в обратном направлении (это утверждал в интернете автор левой части рисунка). Таким образом, хобот передаёт периферии вместе с энергией и массу среды, за счёт чего его размеры уменьшаются при отдалении от сопла. Причём скорость передачи энергии и массы уменьшается при отдалении от сопла, что ведёт к отрыву потока от стенок сопла. Тяга же соплом создаётся силой трения массы периферии о стенки сопла. И отрыв потока от стенок сопла уменьшает снимаемую величину тяги. Поэтому диффузоры не модельных, а реальных сопел Лаваля имеют криволинейную форму.
Рисунок 10
И проблема отрыва потока от стенок сопла в реальных, а не в модельных соплах заставляет ограничивать угол диффузора величиной 9-120. Чем больше скорость движения вихрей, тем меньше должен быть угол.
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3