渦：流体の回転流—種類、物理学、事例

構造と特性

渦の典型的な特徴には、角速度が大きい中心核、中心付近の圧力極小、および軸から離れるほど通常は速度が低下する周囲の流れがある。一般的な挙動を説明するうえで、二つの理想化モデルが役立つ。自由渦（非回転渦）では角運動量が保存され、速度は半径とともに低下する。強制渦（剛体渦）では、中心核がより一様に回転する。現実の渦はこれらの状態が組み合わさったものであり、ランキン渦やバーガース渦などのモデルで表されることがある。

渦の形成

流体内で、せん断、障害物、または差による加熱が回転運動を生むと、渦が発生する。例としては、物体を過ぎる流れの剥離によって生じる後流渦、後流における不安定性、大気や海洋で浮力によって駆動される対流が挙げられる。渦の発達は、特に角運動量保存則と循環保存則という保存法則に支配される。多くの流れでは、粘性と乱流が、渦がまとまりを保つか、より小さな渦へと崩壊するかを決める。乱流と不安定性については、乱流に関する資料を参照。

例と応用

• 自然界：竜巻、水上竜巻、渦潮、塵旋風。
• 工学：航空機の後方に生じる翼端渦、燃焼における渦による混合、翼や羽根の渦発生器、構造物の渦励振。
• 日常：浴槽の排水口、煙の輪、かき混ぜたコーヒー。

渦は、混合機や渦トラップなどで意図的に利用される一方、摩耗、騒音、構造物への荷重を引き起こす場合には管理または軽減される。

主な事実と区別

渦は、層流的で長く持続することもあれば、乱流的で急速に変化することもある。数学的な理想化では中心で特異な挙動が予測される場合があるが、実在の流体では粘性または圧縮性により中心核の挙動が正則化される。渦線と渦管は有用な幾何学的表現であり、乱流中で伸長、傾斜、再結合しうる渦度の束を表す。実用的な研究では実験、理論、数値シミュレーションを組み合わせる。詳しい文献と事例は追加資料で利用できる。