دوامات طرف الجناح

تدور نوى الدوامات بسرعة عالية جدًا وهي مناطق ذات ضغط منخفض جدًا. للتقريب الأول، تتشكل مناطق الضغط المنخفض هذه مع تبادل قليل للحرارة مع المناطق المجاورة (على سبيل المثال، ثابت الحرارة)، وبالتالي تنخفض درجة الحرارة المحلية في مناطق الضغط المنخفض أيضًا.[4] إذا انخفض تحت نقطة الندى الموضعية، ينتج عن ذلك تكثف بخار الماء الموجود في قلب دوامات قمة الجناح، مما يجعلها مرئية.[4] قد تنخفض درجة الحرارة حتى أقل من نقطة التجمد المحلية، وفي هذه الحالة تتشكل بلورات الجليد داخل النوى.[4]

يتم تحديد طور الماء (أي ما إذا كان يتخذ شكل مادة صلبة أو سائلة أو غازية) حسب درجة حرارته وضغطه. على سبيل المثال، في حالة انتقال الغاز السائل، عند كل ضغط توجد "درجة حرارة انتقال" خاصة ${\displaystyle T_{c}}$ بحيث إذا كانت درجة حرارة العينة أعلى قليلاً ${\displaystyle T_{c}}$، ستكون العينة عبارة عن غاز، ولكن إذا كانت درجة حرارة العينة أقل قليلاً ${\displaystyle T_{c}}$، ستكون العينة سائلة؛ انظر المرحلة الانتقالية. على سبيل المثال، عند الضغط الجوي القياسي، ${\displaystyle T_{c}}$ 100 ° مئوية = 212 ° فهرنهايت. درجة حرارة التحول ${\displaystyle T_{c}}$ يتناقص مع انخفاض الضغط (وهو ما يفسر سبب غليان الماء عند درجات حرارة منخفضة على ارتفاعات أعلى ودرجات حرارة أعلى في قدر الضغط؛ انظر هنا لمزيد من المعلومات). في حالة وجود بخار الماء في الهواء، فإن ${\displaystyle T_{c}}$ المقابلة للضغط الجزئي لبخار الماء تسمى نقطة الندى. (يحدث الانتقال الصلب إلى السائل أيضًا حول درجة حرارة انتقال معينة تسمى نقطة الانصهار. بالنسبة لمعظم المواد، تتناقص نقطة الانصهار أيضًا مع انخفاض الضغط، على الرغم من أن جليد الماء على وجه الخصوص - في شكله I_h ، وهو الأكثر شيوعًا - هو استثناء بارز لهذه القاعدة.)

النوى الدوامة هي مناطق ذات ضغط منخفض. عندما تبدأ دوامة اللب في التكون، يكون الماء الموجود في الهواء (في المنطقة التي على وشك أن تصبح القلب) في طور البخار، مما يعني أن درجة الحرارة المحلية أعلى من نقطة الندى المحلية. بعد تشكل قلب الدوامة، انخفض الضغط بداخلها من القيمة المحيطة، وبالتالي فإن نقطة الندى المحلية (${\displaystyle T_{c}}$) انخفض من القيمة المحيطة. وهكذا، في حد ذاته، يميل انخفاض الضغط إلى إبقاء الماء في شكل بخار: كانت نقطة الندى الأولية بالفعل أقل من درجة حرارة الهواء المحيط، وقد أدى تكوين الدوامة إلى جعل نقطة الندى المحلية أقل. ومع ذلك، عندما تتشكل الدوامة الأساسية، فإن ضغطها (وبالتالي نقطة الندى) ليس الخاصية الوحيدة التي تنخفض: درجة حرارة قلب الدوامة تنخفض أيضًا، وفي الواقع يمكن أن تنخفض بأكثر من نقطة الندى.

للتقريب الأول، يكون تكوين نوى الدوامة من الناحية الديناميكية الحرارية عملية ثابتة الحرارة، أي عملية بدون تبادل للحرارة. في مثل هذه العملية، يكون انخفاض الضغط مصحوبًا بانخفاض في درجة الحرارة، وفقًا للمعادلة

${\displaystyle {\frac {T_{\text{f}}}{T_{\text{i}}}}=\left({\frac {p_{\text{f}}}{p_{\text{i}}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}.}$ [4]

هنا ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ و ${\displaystyle p_{\text{i}}}$ هي درجة الحرارة المطلقة والضغط في بداية العملية (تساوي هنا درجة حرارة الهواء المحيط والضغط)، ${\displaystyle T_{\text{f}}}$ و ${\displaystyle p_{\text{f}}}$ هي درجة الحرارة المطلقة والضغط في قلب الدوامة (وهي النتيجة النهائية للعملية)، والثابت ${\displaystyle \gamma }$ حوالي 7/5 = 1.4 للهواء (انظر هنا).

وهكذا، على الرغم من أن نقطة الندى المحلية داخل قلب الدوامة أقل من تلك الموجودة في الهواء المحيط، إلا أن بخار الماء قد يتكثف مع ذلك - إذا أدى تكوين الدوامة إلى انخفاض درجة الحرارة المحلية إلى ما دون نقطة الندى المحلية الجديدة.[4]

بالنسبة لطائرة النقل النموذجية التي تهبط في مطار، فإن هذه الشروط هي كما يلي: ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ و ${\displaystyle p_{\text{i}}}$ لها قيم تتوافق مع ما يسمى بالشروط القياسية، أي، ${\displaystyle p_{\text{i}}}$ = 1 جو (atm) = 1013.25 ميغابايت = 101 ${\displaystyle \,}$ 325 باسكال و ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ = 293.15 ك (وهو 20 ° مئوية = 68 ° فهرنهايت). الرطوبة النسبية مريحة 35٪ (نقطة الندى 4.1 ° مئوية = 39.4 ° فهرنهايت). هذا يتوافق مع ضغط جزئي لبخار الماء بمقدار 820 بنسلفانيا = 8.2 ميغابايت في قلب دوامة، الضغط ( ${\displaystyle p_{\text{f}}}$ ) إلى حوالي 80٪ من الضغط المحيط، أي إلى حوالي 80 000 Pa. [4]

تُعطى درجة الحرارة في قلب الدوامة بالمعادلة أعلاه على النحو التالي ${\displaystyle T_{\text{f}}=\left({\frac {\scriptstyle 80\,000}{\scriptstyle 101\,325}}\right)^{\scriptscriptstyle 0.4/1.4}\,T_{\text{i}}=0.935\,\times \,293.15=274\;{\text{K}},}$ أو 0.86 °مئوية = 33.5 ° فهرنهايت.

بعد ذلك، ينخفض الضغط الجزئي للماء في قلب الدوامة بما يتناسب مع الانخفاض في الضغط الكلي (أي بنفس النسبة المئوية)، إلى حوالي 650 بنسلفانيا = 6.5 ميغابايت وفقًا لآلة حساب نقطة الندى، ينتج عن هذا الضغط الجزئي نقطة تكثف محلية تبلغ حوالي 0.86 ° مئوية؛ بمعنى آخر، نقطة الندى المحلية الجديدة تساوي درجة الحرارة المحلية الجديدة تقريبًا.

تدور نوى الدوامات بسرعة عالية جدًا وهي مناطق ذات ضغط منخفض جدًا. للتقريب الأول، تتشكل مناطق الضغط المنخفض هذه مع تبادل قليل للحرارة مع المناطق المجاورة (على سبيل المثال، ثابت الحرارة)، وبالتالي تنخفض درجة الحرارة المحلية في مناطق الضغط المنخفض أيضًا.[4] إذا انخفض تحت نقطة الندى الموضعية، ينتج عن ذلك تكثف بخار الماء الموجود في قلب دوامات قمة الجناح، مما يجعلها مرئية.[4] قد تنخفض درجة الحرارة حتى أقل من نقطة التجمد المحلية، وفي هذه الحالة تتشكل بلورات الجليد داخل النوى.[4]

وبالتالي فإن آلية تكثيف بخار الماء في دوامات قمة الجناح مدفوعة بالتغيرات المحلية في ضغط الهواء ودرجة الحرارة. هذا يتناقض مع ما يحدث في حالة أخرى معروفة لتكثف المياه المتعلقة بالطائرات: النفاثات من عوادم محرك الطائرة. في حالة النفاخ، لا يتغير ضغط الهواء المحلي ودرجة الحرارة بشكل كبير؛ ما يهم بدلاً من ذلك هو أن العادم يحتوي على بخار الماء (مما يزيد من تركيز بخار الماء المحلي وبالتالي ضغطه الجزئي، مما يؤدي إلى ارتفاع نقطة الندى ونقطة التجمد) وكذلك الهباء الجوي (الذي يوفر مراكز التنوي للتكثيف والتجميد).[5]