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ランキン渦

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

ランキン渦またはランキンの結合渦: Rankine's combined vortex)とは、渦度分布の一様な中核部分と、その外側の渦なしの部分からなるである[1]。日常的に水面などに見られる渦[2]流体力学で考察する際に、単純化された近似モデルとして使われる。

概要 

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ランキン渦が考察の対象とするのは、自由表面を持つ水が鉛直軸の周りに回転している状況である。水面には大気圧 がかかっているとする。

また、次の仮定を行う:

  • 流体は完全流体である。
  • 流速は高さ 方向の成分を持たず、また に依存しない。すなわち2次元流れである。
  • 外力(ここでは重力)はポテンシャルを持つ保存力である。

これを、半径 の円内に渦度 が一様に分布し、円外は渦なしであるものと考えると、渦の中心から半径 の位置の速度 は円周方向成分のみを持ち、

となる[1]。一方、圧力 は、高さを で表すと次のように表される[3]

ここで は流体の密度、 は重力加速度である。

無限遠での水面の高さを とすると、自由表面の圧力 での圧力に等しいから

が成り立ち、これを用いて上式を書き換えれば、

と表される。

水面の形は、上式で となる高さ であるから、

と得られる。したがって水面は、渦の中では回転放物面の形を持ち、渦の外では に反比例するようなくぼみとなる。くぼみの最深点は

で与えられ、渦度 と渦の半径 の積(=渦の周辺での流速)の2乗に比例する。

脚注

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  1. ^ a b 今井功『流体力学(前編)』(24版)裳華房、1997年、177-179頁。ISBN 4-7853-2314-0 
  2. ^ このような渦では、渦度は中心付近で最大である。
  3. ^ 巽友正『流体力学』培風館、1982年、189-190頁。ISBN 4-563-02421-X 

関連項目

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