В трубке Ранка
формируется вихрь Бенара, хобот которого «уходит» в обратном направлении, а «периферия» в прямом. Стандартный вихрь Бенара обладает основанием и вершиной. Но неужели трубка обходится без торцевых украшений и периферия полностью уходит в прямом направлении, а хобот в обратном? Конечно же нет. Ведь объект вращения преобразуется в вихрь Бенара только при наличии в нём вершины с основанием. В вихре ведь всё так же действует правило прецессии, обеспечивающее преобразование потоков в перпендикулярных направлениях. Осевое направление движения одного потока обязано преобразоваться в тангенциальное направление вращения другого потока. А этот процесс может происходить только в вершине и в основании вихря.
Вершина обеспечивает преобразование осевого направления движения хобота в тангенциальное направление вращения периферии. Основание же обеспечивает преобразование осевого направления движения периферии в тангенциальное направление вращения хобота. Трубка Ранка не может являться исключением из этого правила (которое назовём правилом вершины с основанием). Но если торнадо функционирует в неподвижной атмосфере, своим существованием внося в ней возмущения, то вихрь Бенара в трубке Ранка вынужден приспосабливаться к существованию в подвижной среде, в которой среда обтекает его и снаружи и изнутри.
Но в условиях трубки вихрь себя чувствует не очень комфортно. Основание вихря в трубке расположено вверху. Поэтому движение среды из периферии в канал внутри вихря совпадает с движением среды в основании. В вершине же вихря, расположенной у обратного выхода, среда снаружи устремляется во внутренний канал. И её движение идёт против шерсти: ведь в вершине среда из хобота переходит на периферию и тут же идёт входной поток в трубку, стремящийся уничтожить движение в вершине вихря. Поэтому в трубке Ранка и существует ограничение по верхнему пределу давления в 9 атм.
Но почему же возникает в трубке нижний предел в 5 атм? Ведь нам с сыном удалось создать вихрь в трубке с заглушенным обратным выходом.
Заглушенный обратный выход позволяет формировать вихрь Бенара практически с любыми параметрами. В этом случае тангенциальный входной поток имеет направление вращения, совпадающее с направлением вращения периферии вихря. И для создания вихря нам только надо уменьшить сечение для выхода.
И как только сформируется вихрь, его хобот уменьшит сечение для прохода входного потока к выходу. Как и положено, в этом варианте работает правило стакана. Т.е. наружный поток от входа к выходу двигается подобно твёрдому телу с постоянной угловой скоростью для любого радиуса. И вновь как это и положено для вихря, работает правило вершины с основанием, которое согласовывает движение «твёрдого» тела хобота с «твёрдым» телом периферии. При заглушенном обратном выходе правило вершины с основанием позволяло создавать полноценный вихрь Бенара практически при любых условиях.
При наличии обратного выхода у нас появляется в центре вихря поток, направление вращения которого совпадает с направлением вращения хобота вихря. Таким образом, в трубке Ранка правило стакана должно работать как снаружи, так и внутри вихря. Внутри же вихря появляется поток, который не возвращается на его периферию. Поэтому для обеспечения полноценного функционирования вихря и требуется давление 5 атм, которое компенсирует потери хоботом массы среды через обратный выход. При давлениях же меньших 5 атм вихрь Бенара всё же создаётся. Но он является слабым, аналогичным неполноценному вихрю над нагретым солнцем склоном холма. Тем не менее, и в полноценном, и в слабом вихре Бенара трубки Ранка поступление среды в трубку равно исходу из трубки через прямой и обратный выходы. Вихрь же Бенара при этом хоть и служит в качестве бесплатного приложения, тем не менее именно он является кукловодом, создающим параметры трубки.
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3