Un vórtice toroidal es la forma óptima de movimiento de la materia en un medio. En un sentido estricto, un fenómeno en el que una región de un líquido o gas en rotación se mueve a través de la misma u otra región del líquido o gas. El vórtice toroidal consta de dos partes principales.
Un ejemplo de un vórtice toroidal son los anillos de humo de cigarrillo.
Los vórtices toroidales están ampliamente representados en la naturaleza: estos son anillos de humo; torbellinos de nubes que forman anillos; embudos en el agua son una parte integral del vórtice que se forma bajo el agua. Los torbellinos también están presentes en la vida silvestre, por ejemplo, los champiñones y las medusas. En general, los vórtices toroidales se forman constantemente en el aire, pero no están al alcance de nuestros ojos.
Los anillos de vórtice fueron analizados matemáticamente por primera vez por el físico alemán Hermann von Helmholtz en su artículo de 1867 "Sobre integrales de ecuaciones hidrodinámicas que expresan movimientos de vórtice" [1] .
Una forma de crear un anillo de vórtice sería incrustar una masa compacta de fluido A que se mueve rápidamente en una masa de fluido estacionario B ( A y B pueden ser químicamente el mismo fluido). La fricción viscosa en el límite entre dos fluidos ralentiza las capas de masa A en relación con su núcleo, y el movimiento de la masa A hacia adelante forma una 'sombra' de presión reducida desde atrás. Debido a esto, las capas de masa B giran alrededor de la masa A y se reúnen en la parte posterior, donde ingresan a A después del interior que se mueve más rápido. En última instancia, se forma un flujo poloidal, que forma un anillo de vórtice.
El borde de ataque del penacho , a veces denominado "penacho fuente", generalmente tiene una estructura de anillo de vórtice, al igual que los anillos de humo. El movimiento de un anillo de vórtice aislado y la interacción de dos o más vórtices se analizan, por ejemplo, en el libro de texto del autor Batchelor [2] .
Para muchos propósitos, un anillo de vórtice se puede aproximar como si tuviera un pequeño núcleo de vórtice. Sin embargo, se sabe que existe una solución teórica simple, llamada vórtice esférico de Hill [3] , en la que el vórtice se distribuye dentro de la esfera (sin embargo, la simetría interna del flujo sigue siendo anular). Tal estructura o equivalente electromagnético se ha propuesto como una explicación de la estructura interna del rayo en bola . Por ejemplo, Shafranov usó la analogía magnetohidrodinámica (MHD) con un vórtice mecánico de fluido inmóvil de Hill para considerar las condiciones de equilibrio para configuraciones MHD axisimétricas, reduciendo el problema a la teoría de flujos de fluidos incompresibles estacionarios. En simetría axial, consideró un equilibrio general para corrientes distribuidas y concluyó bajo el teorema virial que si no hubiera gravedad, una configuración de equilibrio limitado solo podría existir en presencia de una corriente azimutal.
El estado de anillo de vórtice (VRS ) es una situación peligrosa que se encuentra en los vuelos de helicóptero . El efecto se produce cuando se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones durante el vuelo:
El flujo de aire que se mueve hacia abajo a través del tornillo gira hacia afuera, luego sube, es succionado y vuelve a bajar a través del tornillo. Esta recirculación del flujo puede anular gran parte de la sustentación y provocar una pérdida catastrófica de altitud. Aplicar más potencia (aumentar el ángulo de ataque) aumenta el flujo de aire hacia abajo en el que tiene lugar la reducción, lo que solo exacerba la situación. Para salir de este estado, es necesario sacar el helicóptero de la zona de vórtice "al aire limpio".
Uno de los fenómenos de fluidos más importantes observados en el ventrículo izquierdo durante la relajación cardíaca ( diástole ) es el anillo de vórtice que se desarrolla con un fuerte flujo reactivo a través de la válvula mitral . La presencia de estas estructuras de flujo que se desarrollan durante la diástole cardíaca se reconoció inicialmente mediante imágenes de flujo ventricular in vitro [4] [5] y posteriormente se mejoró en función del análisis basado en imágenes Doppler color (US) [6] [7] e imágenes de resonancia magnética . . [8] [9] Algunos estudios recientes [10] [11] también han confirmado la presencia de un anillo de vórtice durante la fase de llenado rápido de la diástole y sugieren que el proceso de formación del anillo de vórtice puede afectar la dinámica del anillo mitral .
Maxworthy [12] observó una especie de estructura simétrica radiante azimutal cuando el anillo de vórtice se movía a una velocidad crítica que se encuentra entre los estados turbulento y laminar. Posteriormente, Huang y Chan [13] informaron que si el estado inicial del anillo de vórtices no es perfectamente redondo, ocurrirá otro tipo de inestabilidad. Un anillo de vórtice elíptico oscila donde primero se estira en dirección vertical y se contrae en dirección horizontal, luego pasa a través de un estado intermedio donde es circular, después de lo cual se deforma en el orden inverso (se estira en dirección horizontal y se contrae en dirección vertical). dirección) antes de invertir el proceso y volver al estado original.