Springen naar inhoud

Vortex


  • Log in om te kunnen reageren

#1

2646

    2646


  • 0 - 25 berichten
  • 3 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 26 november 2010 - 14:20

Ik ben samen met een andere gymnasiumleerling uit de 6e klas bezig met het maken van een profielwerkstuk.
Daarbij lopen we tegen verschillende problemen aan, zoals dat we weinig theoretische informatie kunnen vinden.

Mijn vraag is nu:
- Hoe ontstaat een vortex nou precies en hoe blijft deze in stand (als je zorgt dat je in een windstille ruimte bent, zodat wind de stabiliteit van de vortex niet kan verstoren)?
We weten dat als je een vortex maakt met een buis bijvoorbeeld, dat hij ontstaat doordat door wrijving aan de randen de lucht daar langzamer beweegt en in het midden sneller. Dan ontstaat er dus achter het midden van de vortex een 'lege' ruimte, die wordt opgevuld door de lucht aan de zijkanten, wat de circulatie veroorzaakt. En dat dit proces zich herhaalt, toch?
Maar we kunnen het niet echt goed en duidelijk en vrij gedetailleerd uitleggen. Dit is echter wel de bedoeling.
Kan iemand ons hierbij misschien helpen?


Hier is een plaatje zien, wat ongeveer hetzelfde is als onze gemaakte vortexkanonnen: http://cache.gawkera...3-19_161105.jpg (aan de kant die niet te zien is, zit een strak gespannen doek/vuilniszak/plastik zak).

We hebben al drie verschillende vortexkanonnen gemaakt, met verschillende lengtes en we varieren de verhouding tussen de diameter van het gat en de lengte van de buis (Via internet zijn we erachter gekomen dat de optimale vehouding hiertussen: Lengte/diameter gat=4). We varieren de verhouding tussen de diameter van het gat en de diameter van de buis (en daarmee ook eigenlijk de verhouding van lengte van de buis). Als we er nog tijd voor hebben, varieren we ook de kracht, waaarmee de vortex wordt gegenereerd. Die houden we nu constant door met een elektromagneet van steeds dezelfde hoogte een metalen kogel(tje) los te laten, die tegen het strak gespannen doek aanslaat.
(even om een indruk te geven van onze opstelling en onderzoek).


Het zou echt heel fijn zijn als iemand ons hierbij zou kunnen helpen!

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2


  • Gast

Geplaatst op 26 november 2010 - 16:26

Even, ik ben niet zo op de hoogte van youtube, ik neem aan dat jullie cirkels maken die ontstaan in het kanon en draaiend wegstromen, of niet? Een vortex is namelijk een veel meer omvattend begrip. In principe is alles wat draait een vortex.

Hebben jullie een schets gemaakt van de luchtstromingen zoals die volgens jullie optreden?
Hebben jullie een verklaring voor het ontstaan van die stroming, dus in het kanon?
Geeft de elektromagneet éen tik, met wat voor kracht/snelheid, en hebben jullie een idee van de natrillingen die optreden in de vuilniszak? Hebben jullie een idee van de maximale indrukking van de zak, ofwel heb je een idee van de luchtsnelheden die optreden? Hebben jullie de snelheid van de ring gemeten , als deze uit het kanon komt? De draaisnelheid van de lucht in de ring? Of geschat?

Een heleboel vragen, die zouden kunnen helpen om het verschijnsel goed te beschrijven en later te verklaren.

#3

jkien

    jkien


  • >1k berichten
  • 3056 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 27 november 2010 - 11:18

Mijn vraag is nu:
- Hoe ontstaat een vortex nou precies en hoe blijft deze in stand (als je zorgt dat je in een windstille ruimte bent, zodat wind de stabiliteit van de vortex niet kan verstoren)?

Je bedoelt kennelijk een ringvortex. Na een tik op de achterkant blaast het kanon een pufje lucht uit door de ronde mondopening aan de voorkant. Alle lucht die naar buiten stroomt is 'wervelvrij', behalve de grenslaag die langs de rand van de mondopening strijkt, die krijgt door wrijving 'vorticiteit'. Die grenslaag stroomt naar buiten als een cilindrische kous waarvan de voorkant zich oprolt tot een ring. De ring maakt zich los van de mondopening en hij gaat zich zelfstandig voortbewegen met een bepaalde snelheid. De tamelijk smalle ring die voortkomt uit de grenslaag is de kern van een stabiele ringvortex. Doordat alle vorticiteit in de kern zit is die kern motor van het totale snelheidsveld. De kern wordt omhuld door een dikkere ring van wervelvrije lucht die afkomstig is uit het kanon. Die dikkere ring is het zichtbare deel van de ringvortex, als er rook in het kanon zat.


#4

2646

    2646


  • 0 - 25 berichten
  • 3 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 27 november 2010 - 14:33

Geachte bessie,

Ik bedoelde ringvortex, dat was ik vergeten erbij te zetten.

-We hebben geen schets gemaakt van de luchtstromingen in het kanon, maar ik kan wel ongeveer bedenken hoe die gaat volgens mij. Dat heb ik even heel provisorisch getekend in paint (zie de bijlage). De grootte van de pijl geeft globaal de snelheid van de lucht aan.
-De verklaring voor het ontstaan van de stroming in het kanon is dat aan de randen van het kanon de lucht wordt afgeremd door wrijving met de buis en in het midden niet (of in ieder geval veel minder), waardoor er een werveling ontstaat, omdat er achter het snelbewegende deel (in het midden van de buis) tijdelijk een 'tekort aan lucht' ontstaat, wat wordt opgevuld door de lucht meer naar de zijkant. Toch?
-we halen m.b.v. een spanningskastje en schakelaar de spanning van de elektromagneet af, waardoor deze de metalen kogel niet meer kan aantrekken. Die botst dan tegen de gespannen vuilniszak. Hij kaatst weer terug, maar dan zorgen we voor dat er geen verdere botsingen tussen komen: 1 tik.
- De kracht van de metalen kogel kunnen we in principe globaal (zonder luchtweerstand) berekenen met zijn massa, de lengte van de slinger en hoek waaronder hij slingert, maar hebben we nog niet gedaan. We zijn gisteren begonnen met het uitvoeren van de proef, maar dit viel tegen vanwege de turbulentie, veroorzaakt door de verwarming in het lokaal: de ringvortexen vlogen na bepaalde afstand alle kanten op. Hier moeten we nog iets op verzinnen, waarschijnlijk willen we de gymzaal van school gebruiken: geen verwarming en geen rookmelder.
-We hebben niet echt een idee van de maximale indrukking van de vuilniszak, maar we hebben gister wel opgemerkt dat de vuilniszak na verscheidene keren blijvend vervormd. Er is dus sowieso geen elastische botsing. Het probleem was echter dat na de vervorming de metalen kogel steeds minder kracht doorgaf aan de lucht in het kanon. Hier hebben we nog geen oplossing voor, behalve om de zoveel tijd de vuilniszak te verversen..
-Omdat de proef gisteren niet helemaal goed gelukt was en het de eerste test was, hebben we de snelheid nog niet opgemeten. Dit zijn we wel van plan door simpelweg door v=s/t te gebruiken. De afstand is dan waar de vortex 'uit elkaar valt'.
-We weten ook niet hoe we de draaisnelheid van de lucht in de ring kunen berekenen/schatten. Heeft u hier een idee voor?

Bedankt voor de reactie!

Bijgevoegde miniaturen

  • PWS_stroming_in_kanon.jpg

#5

B4LiFe

    B4LiFe


  • 0 - 25 berichten
  • 4 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 27 november 2010 - 14:46

Hallo allemaal,

Ik ben de partner van de topicstarter. Ik heb problemen bij het beschrijven van het vormen van de ringvortex. Ik ben tot nu toe hiertoe gekomen:


Een ringvortex ring wordt gevormd door een combinatie van wrijving en drukverschil. Met de opstelling in dit onderzoek wordt een hoeveelheid lucht door een ronde opening in stilstaande lucht geduwd. Door het snelheidsverschil ontstaat er wrijving tussen de bewegende en stilstaande lucht. Deze wrijving is echter niet gelijk over de hele doorsnede van de bewegende lucht; de grenslagen worden meer beïnvloed dan de binnenste lagen. Hierdoor worden de buitenste lagen meer afgeremd dan de binnenste lagen. Omdat achter de bewegende lucht een gebied ontstaat met een lagere druk, stroomt de lucht van de buitenste, afgeremde lagen hiernaartoe, waardoor de lucht vorticiteit krijgt.

Ik begrijp alleen nog niet precies waarom er precies lagere druk achter de ringvortex ontstaat en dus waarom de lucht vorticiteit krijgt? Hopelijk weet iemand hier meer van.
hopelijk geven we niet de indruk ons hele werkstuk door anderen te willen laten doen, we hebben alleen nogal wat (opstart)problemen!

#6

2646

    2646


  • 0 - 25 berichten
  • 3 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 27 november 2010 - 15:00

Geachte jkien,

Ja, ik was vergeten erbij te zetten dat het ging om ringvortexen.

U zegt: "De ring maakt zich los van de mondopening en hij gaat zich zelfstandig voortbewegen met een bepaalde snelheid". Dit begrijp ik. Weet u misschien ook hoe de vortex zich in stand houdt? Dus hoe hij zelfstandig voort blijft bewegen? Want ik dacht dat die uit de grenslaag gevormde ring door blijft gaan met circuleren, totdat hij door een bepaalde factor wordt verstoord, zoals turbulentie of luchtwrijving. Maar ik snap niet precies hoe het komt dat hij blijft doorcirculeren? Komt dat doordat de beweging van lucht zorgt voor een tijdelijk 'tekort aan lucht' vlak achter de ring, wat wordt opgevuld door lucht aan de buitenkant door het tijdelijke drukverschil en wat dus zorgt voor de circulatie?

U zegt ook: "De tamelijk smalle ring die voortkomt uit de grenslaag is de kern van een stabiele ringvortex. De kern wordt omhuld door een dikkere ring van wervelvrije lucht die afkomstig is uit het kanon. Die dikkere ring is het zichtbare deel van de ringvortex, als er rook in het kanon zat".
Dit snap ik nog niet helemaal. Want bedoelt u dat er meerdere ringen zijn binnen 1 ringvortex? Of begrijp ik nu helemaal verkeerd? Want de ring, die ontstaat uit de grenslaag, is toch de enige ring en de 'motor' van de ringvortex, doordat alle vorticiteit daarin zit?
De dikkere ring is dus het zichtbare gedeelte (door de rook) van de ringvortex, maar u zegt deze wervelvrij is. Ik dacht dat dit juist de ring is met veel wervelingen, want het zichtbare gedeelte is toch het 'buitenste' gedeelte van de ringvortex?
Kunt u misschien met een simpel plaatje uitleggen welke ring de 'smalle' ring is en welke de 'dikkere'? Ik begrijp het verschil tussen deze twee namelijk niet zo goed.

Fraai filmpje trouwens.

Bedankt voor de reactie!

#7

jkien

    jkien


  • >1k berichten
  • 3056 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 27 november 2010 - 20:29

Maar ik snap niet precies hoe het komt dat hij blijft doorcirculeren? Komt dat doordat de beweging van lucht zorgt voor een tijdelijk 'tekort aan lucht' vlak achter de ring, wat wordt opgevuld door lucht aan de buitenkant door het tijdelijke drukverschil en wat dus zorgt voor de circulatie?

Er is weinig wrijving in de vortexkern, evenals in het wervelvrije gebied daarbuiten. De ringvortex vertegenwoordigt een bepaalde hoeveelheid kinetische energie. Doordat de wrijving zo gering is blijft die energie behouden, in de vorm van de vortexring.
Dat er in de kern relatief weinig wrijving is zou je kunnen beoordelen met het Reynolds getal, Re = ρVD/µ, omdat dat overeenkomt met de verhouding van 'traagheidskracht' en 'wrijvingskracht'. Stel bijvoorbeeld dat het Reynoldsgetal van de vortexkern bij jouw vortexkanon in de orde is van 10000, dan is de de wrijvingskracht verwaarloosbaar t.o.v. de traagheidskracht.

U zegt ook: "De tamelijk smalle ring die voortkomt uit de grenslaag is de kern van een stabiele ringvortex. De kern wordt omhuld door een dikkere ring van wervelvrije lucht die afkomstig is uit het kanon. Die dikkere ring is het zichtbare deel van de ringvortex, als er rook in het kanon zat".
Dit snap ik nog niet helemaal. Want bedoelt u dat er meerdere ringen zijn binnen 1 ringvortex? Of begrijp ik nu helemaal verkeerd? Want de ring, die ontstaat uit de grenslaag, is toch de enige ring en de 'motor' van de ringvortex, doordat alle vorticiteit daarin zit?
De dikkere ring is dus het zichtbare gedeelte (door de rook) van de ringvortex, maar u zegt deze wervelvrij is. Ik dacht dat dit juist de ring is met veel wervelingen, want het zichtbare gedeelte is toch het 'buitenste' gedeelte van de ringvortex?
Kunt u misschien met een simpel plaatje uitleggen welke ring de 'smalle' ring is en welke de 'dikkere'? Ik begrijp het verschil tussen deze twee namelijk niet zo goed.

Op sommige vortexringfoto's kun je de kern en dat dikkere omhulsel onderscheiden. Hieronder is de kern het zwarte gat, terwijl het dikkere omhulsel bestaat uit een witte spiraal van rook. In dat dikkere omhulsel zijn de stroomlijnen wel gesloten cirkels, maar wiskundig is dat gebied toch wervelvrij ("rot v = 0").
De kern bevat zoals gezegd alle vorticiteit. Het dikkere omhulsel is het pakket lucht dat meereist met de ringvortex, zonder te mengen met de buitenlucht. De buitenlucht reist niet mee.

Geplaatste afbeelding

http://home.comcast....vger/index.html

#8

jkien

    jkien


  • >1k berichten
  • 3056 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 27 november 2010 - 21:30

Een ringvortex ring wordt gevormd door een combinatie van wrijving en drukverschil. Met de opstelling in dit onderzoek wordt een hoeveelheid lucht door een ronde opening in stilstaande lucht geduwd. Door het snelheidsverschil ontstaat er wrijving tussen de bewegende en stilstaande lucht. Deze wrijving is echter niet gelijk over de hele doorsnede van de bewegende lucht; de grenslagen worden meer beïnvloed dan de binnenste lagen. Hierdoor worden de buitenste lagen meer afgeremd dan de binnenste lagen. Omdat achter de bewegende lucht een gebied ontstaat met een lagere druk, stroomt de lucht van de buitenste, afgeremde lagen hiernaartoe, waardoor de lucht vorticiteit krijgt.

Ik begrijp alleen nog niet precies waarom er precies lagere druk achter de ringvortex ontstaat en dus waarom de lucht vorticiteit krijgt?

Men duwt gedurende een kort tijdsinterval als het ware een cilindervormig luchtpakket door de opening van het kanon. Op het moment dat men stopt met duwen beweegt dat luchtpakket nog door, vanwege zijn massatraagheid. Daardoor ontstaat er achter dat luchtpakket eventjes een onderdruk, die snel gecompenseerd wordt door het toestromen van buitenlucht. Dat is echter niet de bron van de vorticiteit.

#9


  • Gast

Geplaatst op 28 november 2010 - 10:49

Voord het ontstaan van de circulatie zijn twee verklaringen mogelijk: 1 een snelheidsverschil tussen binnenste en buitenste stroming, 2. circulatie die al voor het uittreden aanwezig is.

Ik neig naar de tweede keus, omdat alle generators als gemeenschappelijk kenmerk hebben dat het gat kleiner is dan het kanon zelf, en scherp is afgegrensd (een vlakke eindplaat met het gat erin). Vroeger maakte mijn zwager met sigaretterook kringetjes, en daarbij hield hij zijn mond precies in zo'n vorm, met iets toegeknepen lippen. Bij snelheidsverschillen zou een vloeiend verloop ook werken, en zou de truc zijn om wat lucht achter in de ring te blazen. In eerste instantie dacht ik aan dat mechanisme. Maar bij de dolfijnen (zie post JKIEN) is er gewoon sprake van een snelle beweging in het water, waarbij direct al de cirkulatie optreedt, zonder dat er een laminaire stroming met grenslaag is.

Dus ik denk dat de circulatie al binnen in het kanon ontstaat, zoals aangegeven in je paint-schets. Je ziet daar een stroming die snel in diameter afneemt, en daarbij treedt circulatie op. De truc is om die circulaties zo rustig te houden dat ze niet gaan ontsporen, maar hun patroon vasthouden. Ofwel het is geen turbulentie maar circulatie.

Dat patroon is ongeveer te vergelijken met wat gebeurt bij een zwaar vliegtuig dat landt. De vleugels daarvan buigen de lucht naar beneden af (met actie en reactie blijft het vliegtuig dan vliegen) en bij die afbuiging treedt bij de vleugeltip zo n circulatie op dat er een vortex achter gaat hangen. Op youtube zijn daar vast filmpjes van, anders zoek ik er wel een op. EDIT http://amasci.com/wing/rotbal.html

Deze circulaties blijven zo lang hangen, dat andere (lichtere) vliegtuigen erdoor kunnen crashen. Je kan ze ook horen, als je onder de landingsbaan van Schiphol gaat staan.

#10

B4LiFe

    B4LiFe


  • 0 - 25 berichten
  • 4 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 28 november 2010 - 14:54

Hoi bessie,

bedankt voor je antwoord!
Wat je zegt klinkt wel aannemelijk, al is het wel zo dat er ook een ringvortex ontstaat wanneer je bijvoorbeeld een druppel vloeistof in water laat vallen (zie: http://www.abc.net.a...idalvortex.htm)
Dus daardoor was ik meer geneigd voor de eerste keuze te gaan, namelijk een snelheidsverschil tussen binnenste en buitenste laag.

#11

B4LiFe

    B4LiFe


  • 0 - 25 berichten
  • 4 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 29 november 2010 - 19:56

Hallo allemaal,
we beschrijven nu in ons onderzoek meerdere verklaringen voor het ontstaan van de ringvortex (daar niet één juiste theorie vindbaar lijkt te zijn, maar meerdere mogelijk) Op het moment ben ik bezig met de verklaring dat wrijving ervoor zorgt dat de buitenste lagen afgebogen worden, alleen ben ik nog op zoek naar een verklaring waardoor die lagen weer opgenomen worden in de vortex en dus de circulatie ontstaat.
Drukverschil? En waardoor? (Ik dacht dat de wet van Bernoulli misschien voor drukverschil zorgt, waardoor de afgebogen lucht weer in de ring wordt opgenomen. Maar dat roept weer de vraag op of dit drukverschil niet al eerder invloed heeft gehad)
Of misschien een andere verklaring?
Boris





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures