Calcul de l'effet Magnus. Cyclones et anticyclones

Sens du flux. Ceci est le résultat de l'action combinée de phénomènes physiques tels que l'effet Bernoulli et la formation d'une couche limite dans le milieu autour de l'objet profilé.

Un objet en rotation crée un mouvement de vortex dans l'environnement qui l'entoure. D'un côté de l'objet, la direction du vortex coïncide avec la direction de l'écoulement autour et, en conséquence, la vitesse du milieu de ce côté augmente. De l'autre côté de l'objet, la direction du vortex est opposée à la direction de l'écoulement, et la vitesse du milieu diminue. En raison de cette différence de vitesse, une différence de pression apparaît, qui génère une force transversale du côté du corps rotatif sur lequel le sens de rotation et le sens d'écoulement sont opposés, au côté sur lequel ces directions coïncident. Ce phénomène est souvent utilisé dans le sport, voir par exemple les coups spéciaux : top spin, dry leaf au football, ou encore le système Hop-Up en airsoft.

L'effet a été décrit pour la première fois par le physicien allemand Heinrich Magnus en 1853.

Formule de calcul de la force

Fluide idéal

Même si le fluide n'a pas de frottement interne (viscosité), l'effet de portance peut être calculé.

Laissez la balle être dans le flux d'un fluide idéal qui coule dessus. Vitesse d'écoulement à l'infini (plus proche, bien sûr, elle est déformée) $\backslash vec(u)\_\backslash infty$. Pour simuler la rotation de la boule, on introduit la circulation des vitesses $\backslash Gamma$ Autour de lui. Sur la base de la loi de Bernoulli, on peut obtenir que la force totale agissant dans ce cas sur la balle est égale à :

$\backslash vec(R)=-\backslash rho\backslash vec(\backslash Gamma)\backslash times\backslash vec(u)\_\backslash infty$.

Il est clair que:

1. la force totale est perpendiculaire à l'écoulement, c'est-à-dire que la force de traînée de l'écoulement de fluide idéal sur la balle est nulle (paradoxe de d'Alembert)
2. la force, dépendant du rapport des sens de circulation et de la vitesse de l'écoulement, est réduite à une force de levage ou d'abaissement.

liquide visqueux

L'équation suivante décrit les quantités nécessaires pour calculer la portance générée par la rotation d'une boule dans un fluide réel.

$(F)=(1\backslash sur\; 2)\; (\; \backslash rho)\; (V^2AC\_l)$ $F$- force de levage $\backslash rhô$ est la masse volumique du liquide. $V$- vitesse de la balle par rapport au milieu $UN$- zone transversale du ballon $(C\_l)$- coefficient de portance ( Anglais)

Le coefficient de portance peut être déterminé à partir de tracés de données expérimentales utilisant le nombre de Reynolds et le coefficient de rotation ((vitesse angulaire*diamètre)/(2*vitesse de ligne)). Pour des rapports de rotation de 0,5 à 4,5, le coefficient de portance varie de 0,2 à 0,6.

Application

Éoliennes

L'éolienne "air rotor" est un appareil captif qui s'élève à l'hélium jusqu'à une hauteur de 120 à 300 mètres)

Turbosails sur les navires

Depuis les années 1980, le Cousteau Alsion fonctionne avec une turbovoile sophistiquée utilisant l'effet Magnus.

Depuis 2010, le cargo E-Ship 1 est en service avec des voiles rotatives plus simples Anton Flettner

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Remarques

Littérature

• L. Prandtl"L'effet Magnus et le navire du vent." (magazine "Uspekhi fizicheskikh nauk" numéro 1-2. 1925)
• L. Prandtl. Sur le mouvement d'un fluide avec très peu de frottement. - 1905.

Liens

• // elementy.ru
• // technicamolodezhi.ru

Un extrait caractérisant l'effet Magnus

"Eh bien, j'ai enfin tout refait, maintenant je vais me reposer", pensa le prince, et il laissa Tikhon se déshabiller.
Grimaçant d'agacement devant l'effort qu'il fallut faire pour ôter son caftan et son pantalon, le prince se déshabilla, s'affaissa lourdement sur le lit, et parut se perdre dans ses pensées, regardant avec mépris ses jambes jaunes et flétries. Il ne réfléchit pas, mais il hésita devant le travail qui l'attendait pour lever ces jambes et se déplacer sur le lit. « Oh, comme c'est dur ! Oh, si seulement le plus tôt possible, ces travaux se termineraient rapidement, et vous me laisseriez partir ! il pensait. Il fit cet effort pour la vingtième fois, pinça les lèvres et s'allongea. Mais dès qu'il s'est allongé, tout d'un coup, tout le lit s'est déplacé uniformément d'avant en arrière sous lui, comme s'il respirait fortement et poussait. Cela lui arrivait presque toutes les nuits. Il ouvrit ses yeux qui étaient fermés.
« Pas de repos, maudits ! grommela-t-il avec colère contre quelqu'un. "Oui, oui, il y avait autre chose d'important, quelque chose de très important, je me suis réservé pour la nuit au lit. Vannes? Non, il en a parlé. Non, quelque chose comme ça était dans le salon. La princesse Mary mentait à propos de quelque chose. Dessal quelque chose - ce fou - a dit. Quelque chose dans ma poche, je ne m'en souviens pas.
- Silence! De quoi ont-ils parlé au dîner ?
- A propos du prince, Mikhail ...
- Tais toi tais toi. Le prince claqua sa main sur la table. - Oui! Je sais, une lettre du prince Andrei. La princesse Mary lisait. Desal a dit quelque chose à propos de Vitebsk. Maintenant je vais lire.
Il ordonna de sortir la lettre de sa poche et de déplacer une table avec de la limonade et une vitushka, une bougie de cire, sur le lit, et, mettant ses lunettes, il se mit à lire. Ce n'est qu'alors, dans le silence de la nuit, dans la faible lumière sous le bonnet vert, qu'après avoir lu la lettre, il en comprit pour la première fois un instant le sens.
« Les Français sont à Vitebsk, après quatre traversées ils peuvent être à Smolensk ; peut-être qu'ils sont déjà là."
- Silence! Tikhon bondit. - Non Non Non Non! il cria.
Il cacha la lettre sous le chandelier et ferma les yeux. Et il imagina le Danube, un après-midi clair, des roseaux, un camp russe, et il entre, lui, un jeune général, sans une seule ride au visage, gai, gai, vermeil, dans la tente peinte de Potemkine, et un brûlant un sentiment d'envie pour son favori, tout aussi fort qu'alors, l'inquiète. Et il se souvient de toutes ces paroles qui ont été prononcées lors de la première rencontre avec Potemkine. Et il imagine avec du jaune dans son gros visage une petite et grosse femme - Mère Impératrice, ses sourires, ses mots, quand elle l'a reçu pour la première fois, gentiment, et il se souvient de son propre visage sur le corbillard et de la collision avec Zubov, qui était alors avec son cercueil pour le droit d'approcher sa main.
"Ah, plutôt, vite revenir à cette époque, et pour que tout se termine maintenant vite, vite, pour qu'ils me laissent tranquille !"

Les Montagnes Chauves, propriété du prince Nikolai Andreevich Bolkonsky, se trouvaient à soixante milles de Smolensk, derrière elles, et à trois milles de la route de Moscou.
Le soir même, alors que le prince donnait des ordres à Alpatych, Desalle, ayant exigé une rencontre avec la princesse Mary, lui dit que puisque le prince n'était pas en parfaite santé et ne prenait aucune mesure pour sa sécurité, et selon la lettre du prince Andrei, il était clair que son séjour dans les monts Chauve n'était pas sûr, il lui conseille respectueusement d'écrire avec Alpatych une lettre au chef de la province de Smolensk avec une demande de l'informer de l'état des choses et du degré de danger auquel les montagnes chauves sont exposées. Desalles écrivit une lettre pour la princesse Marya au gouverneur, qu'elle signa, et cette lettre fut remise à Alpatych avec ordre de la soumettre au gouverneur et, en cas de danger, de revenir le plus tôt possible.
Ayant reçu toutes les commandes, Alpatych, escorté de sa famille, coiffé d'un chapeau de duvet blanc (cadeau princier), muni d'un bâton, tout comme le prince, sortit s'asseoir dans un wagon en cuir posé par un trio de savras bien nourris. .
La cloche était attachée et les cloches étaient bourrées de morceaux de papier. Le prince n'autorisait personne à monter dans les monts Chauves avec une cloche. Mais Alpatych aimait les cloches et les cloches lors d'un long voyage. Les courtisans d'Alpatych, le zemstvo, le commis, le cuisinier - noir, blanc, deux vieilles femmes, un garçon cosaque, des cochers et diverses cours l'ont accompagné.

Les golfeurs et les joueurs de tennis connaissent la tendance d'une balle en rotation à s'écarter de sa trajectoire normale dans la direction dans laquelle l'avant de la balle tourne. Ce phénomène s'appelle l'effet Magnus. Selon Rayleigh (Vol. I, 343-346), l'effet Magnus est généralement expliqué qualitativement comme suit.

La vitesse locale de l'air par rapport au ballon due à sa rotation est plus importante du côté où la rotation est dirigée vers l'arrière que du côté où elle est dirigée vers l'avant (voir Fig. 3). Par conséquent, selon l'équation de Bernoulli (3), la pression d'un côté

moins, et cela donne la résultante dans la direction correspondant à l'observé.

Sur la base de cette explication, il est très difficile d'obtenir un résultat quantitatif, car nous n'avons aucun moyen précis de relier la rotation à la circulation - même dans le cas d'un cylindre. Prandtl a fait une tentative héroïque pour déterminer au moins la force de portance maximale, qui, comme il le prétendait, est atteinte lorsque la valeur de la circulation est déterminée à condition qu'il y ait un seul point critique.

Sur cette base, il a trouvé que le coefficient maximal est

Riz. 3. Effet Magnus.

Récemment, cette valeur a été dépassée - un autre fait qui montre le manque de fiabilité d'un raisonnement non rigoureux.

L'échec des explications existantes de l'effet Magnus est encore plus clairement illustré par le paradoxe suivant de l'effet Magnus.

Le paradoxe de l'effet Magnus. Aux faibles vitesses de rotation, le sens de déviation est en fait l'opposé de celui donné par l'explication de Rayleigh (et observé par Magnus) 4).

Pour expliquer ce paradoxe de l'effet Magnus, il faut apparemment tenir compte de la turbulence de la frontière

couche est un phénomène qui ne se prête toujours pas à une étude mathématique en tant que problème de valeurs aux limites. Ainsi, pour toute interprétation correcte de l'effort transversal réel aux faibles vitesses de rotation, le nombre de Reynolds doit être pris en compte.

Le phénomène de "dérivation" est similaire à l'effet Magnus. Les artilleurs savent depuis plus de cent ans que les projectiles en rotation ont tendance à s'écarter du plan vertical dans lequel ils tirent, et que cette déviation se produit dans le sens de rotation de la tête du projectile. Cependant, ce phénomène a été mal compris pendant de nombreuses années.

Une explication incorrecte a été offerte par le célèbre mathématicien - Poisson. Il croyait qu'en raison de l'inertie, l'axe du projectile était en retard sur la direction de la tangente à la trajectoire, comme le montre schématiquement la Fig. 4, un.

Riz. 4. Explication de l'effet Magnus, selon Poisson.

Il faut donc créer plus de pression sur la face inférieure, et donc plus de frottement. Conformément à la fig. 4b, cela devrait conduire à une déviation dans la direction observée. L'erreur de l'explication de Poisson devient évidente lorsqu'elle est appliquée à la rotation. balle de tennis: le sens de déviation serait à l'opposé de l'effet Magnus habituel !

L'explication correcte est la suivante. A l'aide d'une étude quantitative de la stabilité gyroscopique, on peut établir que position stable l'axe du projectile (avec un filet hélicoïdal à droite) est à droite de la tangente à la trajectoire, et non au-dessus, comme le prétendait Poisson. Ainsi, la dérivation du projectile est causée principalement par

Une turbovoile est un système de propulsion de navire de type rotatif qui génère une poussée à partir de l'énergie éolienne grâce à un phénomène physique connu sous le nom d'effet Magnus.

Une turbovoile fonctionne sur la base d'un processus physique qui se produit lorsqu'un liquide ou un gaz s'écoule autour d'un corps cylindrique ou rond en rotation et est connu sous le nom d'effet Magnus. Le phénomène tire son nom du nom du scientifique prussien Heinrich Magnus, qui l'a décrit en 1853.

Imaginez une boule ou un cylindre qui tourne dans un flux de gaz ou de liquide qui les entoure. Dans ce cas, le corps cylindrique doit tourner selon son axe longitudinal. Au cours de ce processus, une force apparaît, dont le vecteur est perpendiculaire à la direction de l'écoulement. Pourquoi cela arrive-t-il? Du côté du corps où le sens de rotation et le vecteur d'écoulement coïncident, la vitesse de l'air ou du milieu liquide augmente et la pression, conformément à la loi de Bernoulli, diminue. Du côté opposé du corps, où les vecteurs de rotation et d'écoulement sont dirigés de manière opposée, la vitesse du milieu diminue, pour ainsi dire, ralentit et la pression augmente. La différence de pression apparaissant sur les côtés opposés d'un corps en rotation génère une force transversale. En aérodynamique, il est connu sous le nom de portance, qui maintient les engins plus lourds que l'air en vol. Dans le cas des voiles à rotor, il s'agit d'une force avec un vecteur perpendiculaire à la direction du vent sur une voile à rotor installée verticalement sur le pont et tournant selon l'axe longitudinal.

Voiles Flettner rotatives

Le phénomène physique décrit a été utilisé par l'ingénieur allemand Anton Flettner lors de la création d'un nouveau type de moteur marin. Sa voile de rotor ressemblait à des tours à vent cylindriques rotatives. En 1922, l'inventeur a reçu un brevet pour son appareil et, en 1924, le premier navire rotatif de l'histoire, la goélette convertie Bukau, a quitté les stocks.
Les turbovoiles "Bukau" étaient entraînées par des moteurs électriques. Du côté où la surface du rotor tournait vers le vent, conformément à l'effet Magnus, une zone de pression accrue a été créée et du côté opposé - réduite. En conséquence, une poussée est apparue, qui a déplacé le navire, sous réserve de la présence d'un vent latéral. Au-dessus des rotors-cylindres, Flettner a mis des plaques plates pour une meilleure orientation des flux d'air autour du cylindre. Cela a permis de doubler la force motrice. Un cylindre-rotor rotatif en métal creux, utilisant l'effet Magnus pour créer une poussée latérale, a ensuite été nommé d'après son créateur.

La turbovoile de Flettner s'est avérée excellente lors des essais. Contrairement à un voilier classique, un fort vent latéral n'a fait qu'améliorer les performances du navire expérimental. Deux rotors cylindriques permettaient de mieux équilibrer la cuve. Dans le même temps, en changeant le sens de rotation des rotors, il était possible de modifier le mouvement du navire vers l'avant ou vers l'arrière. Bien sûr, la direction du vent la plus favorable pour créer une poussée était strictement perpendiculaire à l'axe longitudinal du navire.

Turbovoile de Cousteau

Les voiliers ont été construits au XXe siècle et sont en cours de construction au XXIe. Les voiles modernes sont fabriquées à partir de matériaux synthétiques plus légers et plus résistants, et les gréements de voile sont rapidement pliés par des moteurs électriques, libérant une personne du travail physique.

Pourtant l'idée est fondamentale nouveau système, qui utilise l'énergie éolienne pour créer une poussée pour le navire, planait dans les airs. Il a été récupéré par l'explorateur et inventeur français Jacques-Yves Cousteau. En tant qu'océanographe, il a été très impressionné par l'utilisation du vent comme traction - une source d'énergie gratuite, renouvelable et absolument respectueuse de l'environnement. Au début des années 1980, il a commencé à travailler à la création de tels dispositifs de propulsion pour un navire moderne. Il a pris le turbosail Flettner comme base, mais a considérablement modernisé le système, le compliquant, mais en même temps augmentant son efficacité.

Quelle est la différence entre la turbovoile de Cousteau et les hélices de Flettner ? La conception de Cousteau est un tube métallique creux monté verticalement avec un profil aérodynamique et agissant sur le même principe qu'une aile d'avion. DANS la Coupe transversale le tuyau a une forme en forme de goutte ou ovoïde. Sur ses côtés, il y a des grilles d'admission d'air à travers lesquelles l'air est pompé au moyen d'un système de pompes. Et puis l'effet Magnus entre en jeu. La turbulence de l'air crée une différence de pression à l'intérieur et à l'extérieur de la voile. Un vide est créé d'un côté du tuyau et un joint de l'autre. En conséquence, une force transversale se produit, ce qui provoque le déplacement du navire. Essentiellement, une turbovoile est une aile aérodynamique montée verticalement : l'air circule plus lentement d'un côté que de l'autre, créant une différence de pression et une poussée transversale. Par un principe similaire, la portance est créée sur un avion. Le turbosail est équipé de capteurs automatiques et est monté sur une plaque tournante commandée par ordinateur. La machine intelligente positionne le rotor en fonction du vent et règle la pression d'air dans le système.

Cousteau a testé pour la première fois un prototype de sa turbovoile en 1981 sur le catamaran Moulin à Vent alors qu'il traversait l'océan Atlantique. Pendant le voyage, le catamaran a escorté le plus gros navire de l'expédition pour des raisons de sécurité. La turbovoile expérimentale fournissait de la poussée, mais moins que les voiles et les moteurs traditionnels. De plus, à la fin du voyage, en raison de la fatigue du métal, les cordons de soudure ont éclaté sous la pression du vent et la structure est tombée à l'eau. Néanmoins, l'idée elle-même a été confirmée, et Cousteau et ses collègues se sont concentrés sur le développement d'un plus grand navire rotatif, l'Alsion. Il a été mis à l'eau en 1985. Les turbosails qui s'y trouvent viennent s'ajouter à l'agrégation de deux moteurs diesel et de plusieurs hélices et permettent à un tiers d'économiser la consommation de carburant. Même 20 ans après la mort de son créateur, Alsion est toujours en mouvement et reste le navire amiral de la flottille Cousteau.

Turbosail vs ailes en toile à voile

Même comparée aux meilleures voiles modernes, la turbovoile à rotor délivre 4 fois le rapport de poussée. Contrairement à un voilier, un vent latéral fort n'est non seulement pas terrible pour un navire rotatif, mais est des plus bénéfiques pour sa progression. Il se déplace bien même avec un vent de face à un angle de 250. En même temps, un navire à voiles traditionnelles "aime" surtout un vent arrière.

Conclusions et perspectives

Maintenant, les analogues exacts des voiles Flettner sont installés comme hélices auxiliaires sur le cargo allemand "E-Ship-1". Et aussi leur modèle amélioré est utilisé sur le yacht Alsion, propriété de la Fondation Jacques-Yves Cousteau.
Ainsi, il existe actuellement deux types de système de propulsion Turbosail. Une voile rotative conventionnelle inventée par Flettner au début du 20ème siècle, et sa version modernisée par Jacques-Yves Cousteau. Dans le premier modèle, la force résultante est générée à l'extérieur des cylindres en rotation ; dans la deuxième version plus complexe, les pompes électriques créent une différence de pression d'air à l'intérieur du tuyau creux.

La première turbovoile est capable de propulser le navire uniquement par vent latéral. C'est pour cette raison que les turbosails de Flettner ne se sont pas répandus dans la construction navale mondiale. La caractéristique de conception du turbosail de Cousteau vous permet d'obtenir la force motrice quelle que soit la direction du vent. Un navire équipé de telles hélices peut naviguer même contre le vent, ce qui est un avantage incontestable par rapport aux voiles conventionnelles et rotatives. Mais, malgré ces avantages, le système Cousteau n'a pas non plus été mis en production.

Cela ne veut pas dire qu'aujourd'hui il n'y a aucune tentative de réaliser l'idée de Flettner. Il existe un certain nombre de projets amateurs. En 2010, le troisième navire à voiles de rotor de l'histoire après Bukau et Alsion a été construit - un camion allemand de classe Ro-Lo de 130 mètres. Le système de propulsion du navire est représenté par deux paires de rotors rotatifs et un accouplement diesel en cas de calme et pour créer une traction supplémentaire. Les voiles de rotor jouent le rôle de moteurs auxiliaires: pour un navire d'un déplacement de 10,5 mille tonnes, quatre tours à vent sur le pont ne suffisent pas. Cependant, ces appareils permettent d'économiser jusqu'à 40% de carburant à chaque vol.
Mais le système Cousteau est injustement relégué aux oubliettes, alors que la faisabilité économique du projet est avérée. A ce jour, Alsion est le seul navire à part entière doté de ce type de propulsion. Il semble difficile de comprendre pourquoi le système n'est pas utilisé dans fins commerciales, notamment sur les cargos, car il permet d'économiser jusqu'à 30% de gasoil, c'est-à-dire argent.

effet magnus

Animation

Description

L'effet Magnus est l'apparition d'une force de levage agissant sur un corps en rotation dans un flux de liquide ou de gaz incident sur celui-ci.

Un cylindre solide en rotation forme un mouvement tourbillonnaire dans une masse illimitée d'un liquide ou d'un gaz visqueux (Fig. 1a) avec l'intensité :

J=2S w ,

où S est l'aire du cylindre;

w est la vitesse angulaire de rotation du cylindre.

Schéma de l'effet Magnus

Riz. 1

1 - couche limite

Un cylindre se déplaçant en translation (non rotatif) avec une vitesse relative V 0 s'écoule autour d'un écoulement laminaire, qui est non vortex (Fig. 1b).

Si le cylindre tourne et avance simultanément, les deux flux qui l'entourent se chevauchent et créent le flux résultant autour de lui (Fig. 1c).

Lorsque le cylindre tourne, le fluide se déplace également. Le mouvement dans la couche limite est vortex ; il est composé d'un mouvement potentiel auquel se superpose une rotation. En haut du cylindre, le sens d'écoulement coïncide avec le sens de rotation du cylindre, et en bas, il lui est opposé. Les particules dans la couche limite au-dessus du cylindre sont accélérées par le flux, ce qui empêche la séparation de la couche limite. Par le bas, l'écoulement ralentit le mouvement dans la couche limite, ce qui contribue à sa séparation. Les parties détachées de la couche limite sont emportées par l'écoulement sous forme de tourbillons. En conséquence, une circulation de vitesse se produit autour du cylindre dans le même sens dans lequel le cylindre tourne. Selon la loi de Bernoulli, la pression d'un fluide sur partie supérieure cylindre sera plus petit que le fond. Il en résulte une force verticale appelée portance. Lorsque le sens de rotation du vérin est inversé, la force de portance inverse également le sens.

Dans l'effet Magnus, la force F sous est perpendiculaire à la vitesse d'écoulement V 0 . Pour trouver la direction de cette force, il faut faire tourner le vecteur par rapport à la vitesse V 0 de 90° dans le sens opposé à la rotation du cylindre.

L'effet Magnus peut être observé dans une expérience avec un cylindre léger roulant sur un plan incliné (Fig. 2).

Schéma du cylindre roulant

Riz. 2

Après avoir roulé sur un plan incliné, le centre de masse du cylindre ne se déplace pas selon une parabole, comme le ferait un point matériel, mais selon une courbe passant sous le plan incliné.

Si nous remplaçons le cylindre en rotation par un vortex (une colonne de liquide en rotation) d'intensité J=2S w , alors la force de Magnus sera la même. Ainsi, un vortex en mouvement est soumis à une force perpendiculaire à la vitesse relative du mouvement V0 et dirigée vers le côté déterminé par la règle de rotation vectorielle ci-dessus à partir du côté du fluide environnant.

Dans l'effet Magnus, les éléments suivants sont interconnectés : la direction et la vitesse de l'écoulement, la direction et la vitesse angulaire, la direction et la force résultante. En conséquence, la force peut être mesurée et utilisée, ou le débit et la vitesse angulaire peuvent être mesurés.

La dépendance du résultat à l'impact a la forme suivante (formule Joukovski-Kutta):

F R = J r V 0 ,

où J est l'intensité du mouvement autour du cylindre ;

r est la densité du liquide ;

V 0 - débit relatif.

Restrictions sur les manifestations de l'effet physique : fournir un écoulement laminaire de liquide (gaz) sur un objet avec une force de levage vers le haut.

L'effet physique se manifeste sur les corps de révolution.

Horaire

Temps d'initiation (log de -3 à -1);

Durée de vie (log tc de -1 à 9) ;

Temps de dégradation (log td -3 à -1) ;

Temps de développement optimal (log tk 0 à 6).

Diagramme:

Réalisations techniques de l'effet

La caisse tourne sur un essieu dont les roulements sont équipés de capteurs de charge radiale pour mesurer la force de portance résultante (Fig. 3).

Un corps rotatif de révolution dans un écoulement de fluide venant en sens inverse

Riz. 3

Désignations :

1 - corps rotatif;

2 - flux venant en sens inverse;

w - fréquence de rotation ;

V est la vitesse des particules dans le flux ;

F est la force de Magnus.

En modifiant le débit et la fréquence de rotation, on peut vérifier la validité de la formule principale à partir du contenu.

Appliquer un effet

L'effet physique est utilisé en hydroaéromécanique, dans les procédés technologiques de séparation des substances en fractions, etc.

L'effet Magnus est utilisé pour séparer les milieux liquides inhomogènes en fractions légères et lourdes. Un milieu liquide inhomogène, tel qu'une suspension de levure, est soumis à des champs centrifuge et gravitationnel, par exemple dans un séparateur à plaques. Au cours de cette action, le flux du milieu à séparer est passé, par exemple, sous la pression d'une pompe, à travers un séparateur ayant une grille de distribution sous la forme d'un certain nombre de couches de frottement parallèles avec des vitesses différentes qui augmentent successivement d'une couche à l'autre.

La différence entre la vitesse de déplacement des couches adjacentes crée une vitesse angulaire relative de plus de 5000 rad/s. En conséquence, les particules d'une fraction élevée sont entraînées dans un mouvement de rotation. En conséquence, la vitesse d'écoulement de la couche limite du liquide s'écoulant autour de la particule par le bas ralentit et s'accélère par le haut. La différence de vitesse entraîne une différence de forces de pression, c'est-à-dire force de levage hydrodynamique agissant sur les particules dans le sens transversal du bas (du côté des couches de fluide stagnantes) vers le haut jusqu'à la zone des vitesses croissantes.

Littérature

1. Échographie / Éd. IP Golyamina.- M. : Encyclopédie soviétique, 1979.

2. Brekhovskikh L.M., Gontcharov V.V. Introduction à la mécanique des milieux continus - M. : Nauka, 1982.

3. Mesures de polarisation acoustique des caractéristiques d'anisotropie des roches ( des lignes directrices). Apatité, 1985.

Mots clés

• vortex
• circulation
• couler autour
• cylindre
• rotation
• vitesse angulaire
• force de levage

Sections de sciences naturelles :

L'effet Magnus est qu'un cylindre en rotation crée un mouvement de vortex dans l'espace qui l'entoure. La vitesse du mouvement de l'air autour du cylindre en rotation est différente, donc la pression qui génère la force qui peut être utilisée est également différente.

Ouverture de l'effet

Henri Gustav Magnus

Dans les années 1850, le physicien et chimiste allemand Heinrich Gustav Magnus a remarqué que lorsque l'air se déplace à travers un objet en rotation, comme une balle, une force latérale apparaît.

La force est appliquée de la manière suivante :

Si la balle ne tourne pas, l'air passera juste devant elle, s'étirant juste derrière la balle comme la queue d'une comète. Si vous faites pivoter la surface d'une boule en rotation, elle entraîne de l'air avec elle. La rotation dévie la balle à un angle plus proche du côté de la balle qui tourne dans l'air venant en sens inverse.

Grâce à la troisième loi d'Isaac Newton, chaque action doit avoir une réaction égale et opposée, de sorte que l'onde déformante pousse la balle dans la direction opposée, vers la balle, qui se détourne de l'air venant en sens inverse.

Ainsi, la balle en rotation reçoit une force latérale.

Utiliser le pouvoir de Magnus

Au début du XXe siècle, les scientifiques ont proposé d'utiliser l'effet Magnus pour propulser les navires.

L'ingénieur allemand Anton Flettner a remplacé les 420 mètres carrés de voile de la goélette par deux rotors de voile en acier de 15 mètres qui étaient entraînés par un petit moteur. Flettner a montré que le vent autour du rotor de voile créait une force sur les côtés du rotor de voile, propulsant le navire vers l'avant. En 1926, le navire a traversé l'océan Atlantique. Cependant, Flettner n'a pas réussi à trouver des investisseurs intéressés par les voiliers à rotor. À cette époque, les prix du carburant étaient tout simplement trop bas et aucune réglementation environnementale ne restreignait le navire.

Plus tard utilisé sur un pétrolier appartenant à la société danoise Maersk et un navire à passagers. Ces navires sont équipés de cylindres rotatifs sur leurs ponts. Installées verticalement sur une hauteur d'environ 10 étages, ces « voiles à rotor » permettent de réduire jusqu'à 10 % la consommation de carburant. Économie compagnie de transport s'élevait à des centaines de milliers de dollars. De plus, l'environnement s'améliore grâce à la réduction des émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère par voyage.

Le rotor de voile fonctionne sur le principe de l'aérodynamique connu sous le nom d'effet Magnus.

Aujourd'hui, plus de 90% des marchandises sont transportées à travers l'océan, et le port chinois de Shanghai envoie 36 millions de conteneurs par an. Le commerce gâche l'environnement, viole : la plupart des navires brûlent du mazout, émettent du dioxyde de carbone, ainsi que des composés de suie et de soufre, qui contribuent aux pluies acides.

Nouvelle efficacité énergétique

Les navires modernes ont développé une voile de rotor basée sur l'effet Magnus original en utilisant des matériaux modernes tels que les fibres de carbone et de verre, ce qui a réduit le poids d'un facteur trois. Cela signifie que moins d'énergie est nécessaire pour faire tourner le rotor, ce qui se traduit par un système de propulsion plus efficace.

Un logiciel a également été développé qui ajuste la vitesse de rotation du rotor à plusieurs centaines de tours par minute pour une vitesse maximale.

La technologie doit également être sûre lorsque le mouvement s'arrête et qu'il ne reste que la force de résistance. Et que les forces de résistance sont probablement beaucoup moins importantes que la coque du navire lorsqu'elle se déplace dans l'eau et qu'il n'y a aucun risque de chavirer les navires.

Les voiles à rotor sont généralement efficaces si elles voyagent à plus de 18 kilomètres à l'heure à environ 10 nœuds et soufflent au moins 20° vers la proue du navire. De telles conditions sont souvent rencontrées dans le Pacifique Nord et l'Atlantique Nord le long des routes maritimes.

Contrairement à l'effet Magnus d'origine, les nouvelles versions des voiles du rotor sont uniquement destinées à fournir une propulsion supplémentaire, plutôt que de remplacer complètement le moteur du navire.

Les tests ont également été effectués sur un cargo qui transporte des voitures et des camions entre les Pays-Bas et le Royaume-Uni. Lorsqu'il s'agit de moderniser avec deux voilures tournantes de 18 mètres, le navire a consommé 6 % de carburant en moins. Le rotor est également installé sur un pétrolier et un paquebot de croisière. Les porte-conteneurs ne sont pas adaptés aux voiles rotatives car leurs ponts sont bourrés de conteneurs.

Le temps nous dira si celui-ci le fera Un nouveau look sur une découverte ancienne et une invention réussie. Mais avec de nouveaux matériaux, le problème peut être résolu et de nombreux cargos et navires à passagers utilisant l'effet Magnus sont encore à voir.