التدفق الثانوي

تُحدد المبادئ الأساسية للفيزياء وتأثير كوريوليس ما يُعرف بالرياح الجيوستروفية التقريبية أو رياح التدرج ، وهي عبارة عن تدفقات متوازنة موازية لخطوط تساوي الضغط الجوي . وتؤكد قياسات سرعة الرياح واتجاهها على ارتفاعات عالية فوق سطح الأرض أن الرياح تتطابق مع هذه التقريبات بشكل جيد. مع ذلك، بالقرب من سطح الأرض، تكون سرعة الرياح أقل مما هو متوقع بناءً على تدرج الضغط الجوي ، ويكون اتجاه الرياح جزئيًا عبر خطوط تساوي الضغط الجوي بدلًا من أن يكون موازيًا لها. يُعد هذا التدفق الهوائي عبر خطوط تساوي الضغط تدفقًا ثانويًا ، وهو يختلف عن التدفق الأساسي الموازي لها. يتسبب تداخل عناصر خشونة السطح ، مثل التضاريس والأمواج والأشجار والمباني، في مقاومة الرياح ويمنعها من التسارع إلى السرعة اللازمة لتحقيق تدفق متوازن. ونتيجة لذلك، يكون اتجاه الرياح بالقرب من سطح الأرض موازيًا جزئيًا لخطوط تساوي الضغط الجوي في المنطقة، وعبرها جزئيًا في الاتجاه من الضغط المرتفع إلى الضغط المنخفض.

نتيجةً لانخفاض سرعة الرياح على سطح الأرض، يكون الضغط الجوي في مناطق الضغط المنخفض أعلى بكثير مما هو متوقع عند السطح، بناءً على الضغط الجوي في الارتفاعات المتوسطة، وذلك وفقًا لمبدأ برنولي . وبالتالي، فإن التيار الثانوي المتجه نحو مركز منطقة الضغط المنخفض ينجذب أيضًا إلى الأعلى بفعل انخفاض الضغط الجوي في الارتفاعات المتوسطة. هذا الصعود البطيء والواسع للهواء في منطقة الضغط المنخفض قد يتسبب في تكوّن السحب والأمطار على نطاق واسع إذا كانت الرطوبة النسبية للهواء عالية بما يكفي .

في منطقة الضغط المرتفع ( المنخفض الجوي )، يتضمن التدفق الثانوي هبوطًا بطيئًا وواسع النطاق للهواء من الارتفاعات المتوسطة نحو سطح الأرض، ثم إلى الخارج عبر خطوط تساوي الضغط. ويؤدي هذا الهبوط إلى انخفاض الرطوبة النسبية، وهو ما يفسر سبب تمتع مناطق الضغط المرتفع عادةً بسماء صافية لعدة أيام.

تُظهر الأعاصير القمعية والزوابع الترابية تدفقًا دواميًا موضعيًا . تشبه حركتها السائلة حركة الأعاصير المدارية ، ولكن على نطاق أصغر بكثير، بحيث لا يكون تأثير كوريوليس ذا أهمية كبيرة. يكون التدفق الأساسي دائريًا حول المحور الرأسي للإعصار القمعي أو الزوبعة الترابية. وكما هو الحال مع جميع التدفقات الدوامية ، تكون سرعة التدفق في أقصى حالاتها في مركز الدوامة. ووفقًا لمبدأ برنولي، حيث تكون سرعة الرياح في أقصى حالاتها يكون ضغط الهواء في أدنى مستوياته؛ وحيث تكون سرعة الرياح في أدنى مستوياتها يكون ضغط الهواء في أعلى مستوياته. وبالتالي، يكون ضغط الهواء منخفضًا بالقرب من مركز الإعصار القمعي أو الزوبعة الترابية. يوجد تدرج في الضغط باتجاه مركز الدوامة. هذا التدرج، بالإضافة إلى انخفاض سرعة الهواء بالقرب من سطح الأرض، يتسبب في تدفق ثانوي باتجاه مركز الإعصار القمعي أو الزوبعة الترابية، بدلًا من نمط دائري بحت.

تُعيق سرعة الهواء المنخفضة على سطح الأرض انخفاض ضغط الهواء إلى المستوى المتوقع عادةً من ضغط الهواء على ارتفاعات أعلى. وهذا يتوافق مع مبدأ برنولي. يتجه التدفق الثانوي نحو مركز الإعصار أو الدوامة الترابية، ثم يُسحب إلى الأعلى بفعل انخفاض الضغط بشكل ملحوظ على ارتفاع آلاف الأقدام فوق سطح الأرض في حالة الإعصار، أو على ارتفاع مئات الأقدام في حالة الدوامة الترابية. يمكن أن تكون الأعاصير مدمرة للغاية، وقد يتسبب التدفق الثانوي في جرف الحطام إلى منطقة مركزية ونقله إلى ارتفاعات منخفضة.

يمكن رؤية الزوابع الترابية من خلال الغبار المثار على مستوى سطح الأرض، والذي تحمله تيارات الهواء الثانوية ويتجمع في منطقة مركزية. ثم يتراكم الغبار مع تيارات الهواء الثانوية صعودًا إلى منطقة الضغط المنخفض الشديد الموجودة خارج نطاق تأثير سطح الأرض.

عندما يتحرك الماء في وعاء أو كوب دائري بحركة دائرية ، فإنه يُظهر تدفقًا دواميًا حرًا ؛ حيث يدور الماء في مركز الوعاء أو الكوب بسرعة عالية نسبيًا، بينما يدور الماء على محيطه بسرعة أبطأ. يكون الماء أعمق قليلًا عند المحيط وأقل عمقًا قليلًا في المركز، وسطحه ليس مستويًا بل يُظهر انخفاضًا مميزًا باتجاه محور دوران السائل. عند أي ارتفاع داخل الماء، يكون الضغط أعلى قليلًا بالقرب من محيط الوعاء أو الكوب، حيث يكون الماء أعمق قليلًا، منه بالقرب من المركز. ويكون ضغط الماء أعلى قليلًا حيث تكون سرعة الماء أبطأ قليلًا، وأقل قليلًا حيث تكون السرعة أعلى قليلًا، وهذا يتوافق مع مبدأ برنولي .

يوجد تدرج في الضغط من محيط الوعاء أو الكوب باتجاه مركزه. يوفر هذا التدرج قوة الجذب المركزي اللازمة للحركة الدائرية لكل جزيء من الماء. كما يُفسر تدرج الضغط التدفق الثانوي للطبقة الحدية في الماء المتدفق على أرضية الوعاء أو الكوب. لا تستطيع سرعة الماء الأبطأ في الطبقة الحدية موازنة تدرج الضغط، فتتحرك الطبقة الحدية حلزونيًا نحو الداخل باتجاه محور دوران الماء. عند الوصول إلى المركز، يتجه التدفق الثانوي صعودًا نحو السطح، ويختلط تدريجيًا مع التدفق الرئيسي. بالقرب من السطح، قد يوجد أيضًا تدفق ثانوي بطيء نحو الخارج باتجاه المحيط.

يمكن ملاحظة التدفق الثانوي على طول قاع الوعاء أو الكوب برش جزيئات ثقيلة كالسكر أو الرمل أو الأرز أو أوراق الشاي في الماء، ثم تحريك الماء بحركة دائرية باليد أو الملعقة. تتشكل طبقة حدية حلزونية نحو الداخل، دافعةً المواد الصلبة الأثقل إلى كومة مرتبة في مركز الوعاء أو الكوب. عند دوران الماء في وعاء أو كوب، يكون التدفق الأساسي دائريًا تمامًا، وقد يُتوقع أن يدفع الجزيئات الثقيلة نحو الخارج باتجاه المحيط. ولكن بدلًا من ذلك، يمكن ملاحظة تجمع الجزيئات الثقيلة في المركز نتيجةً للتدفق الثانوي على طول القاع. ^{[ 1 ]}

يجب أن يتبع الماء المتدفق عبر منعطف في النهر مسارات انسيابية منحنية ليبقى ضمن ضفتي النهر. يكون سطح الماء أعلى قليلاً بالقرب من الضفة المقعرة منه بالقرب من الضفة المحدبة. (الضفة المقعرة لها نصف قطر أكبر، والضفة المحدبة لها نصف قطر أصغر). ونتيجة لذلك، عند أي ارتفاع داخل النهر، يكون ضغط الماء أعلى قليلاً بالقرب من الضفة المقعرة منه بالقرب من الضفة المحدبة. وينتج عن ذلك تدرج في الضغط من الضفة المقعرة باتجاه الضفة الأخرى. وتُعد القوى المركزية ضرورية للمسار المنحني لكل كتلة من الماء، والتي يوفرها تدرج الضغط. ^{[ 1 ]}

يقترب التدفق الأساسي حول المنعطف من شكل دوامة حرة - حيث تكون السرعة القصوى عند أصغر نصف قطر لانحناء التيار، والسرعة الدنيا عند أكبر نصف قطر. ^{[ 2 ]} ويصاحب ارتفاع الضغط قرب الضفة المقعرة (الخارجية) انخفاض في سرعة الماء، بينما يصاحب انخفاض الضغط قرب الضفة المحدبة زيادة في سرعة الماء، ويتوافق كل هذا مع مبدأ برنولي .

يتشكل تدفق ثانوي في الطبقة الحدية على طول قاع النهر. لا تتحرك هذه الطبقة الحدية بسرعة كافية لموازنة تدرج الضغط، لذا يكون مسارها جزئيًا باتجاه مجرى النهر وجزئيًا عبره، من الضفة المقعرة نحو الضفة المحدبة، مدفوعًا بتدرج الضغط. ^{[ 3 ]} ثم يتجه التدفق الثانوي صعودًا نحو السطح حيث يختلط بالتدفق الرئيسي، أو يتحرك ببطء عبر السطح عائدًا نحو الضفة المقعرة. ^{[ 4 ]} تُسمى هذه الحركة بالتدفق الحلزوني .

في قاع النهر، يجرف التيار الثانوي الرمال والطمي والحصى عبر النهر، ويرسب المواد الصلبة قرب الضفة المحدبة، على غرار انجراف السكر أو أوراق الشاي نحو مركز الوعاء أو الكوب كما ذُكر سابقًا. ^{[ 1 ]} قد تؤدي هذه العملية إلى بروز أو تكوين جزر على شكل حرف D، وتعرّجات من خلال تكوين ضفاف مقطوعة وحواجز رملية متقابلة ، مما قد ينتج عنه بحيرة هلالية . تميل الضفة المحدبة (الداخلية) لانحناءات النهر إلى أن تكون ضحلة ومكونة من الرمل والطمي والحصى الناعم؛ بينما تميل الضفة المقعرة (الخارجية) إلى أن تكون شديدة الانحدار ومرتفعة بسبب التعرية الشديدة.

تم طرح تعريفات مختلفة للتدفق الثانوي في الآلات التوربينية، مثل "التدفق الثانوي بشكل عام يعني التدفق بزاوية قائمة على التدفق الأساسي المقصود". ^{[ 5 ]}

تحدث التدفقات الثانوية في مسار التدفق الرئيسي في ضواغط التوربينات والتوربينات (انظر أيضًا الاستخدام غير ذي الصلة للمصطلح للتدفق في نظام الهواء الثانوي لمحرك التوربينات الغازية). وتكون هذه التدفقات موجودة دائمًا عندما تنحني طبقة الحدود الجدارية بزاوية معينة بفعل سطح منحني. [ ^{6 ] وهي} مصدر لفقدان الضغط الكلي، وتحد من الكفاءة التي يمكن تحقيقها للضاغط أو التوربين. ويتيح نمذجة التدفق تشكيل أسطح الشفرات والريش والجدران الطرفية لتقليل هذه الخسائر. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تحدث التدفقات الثانوية في جميع أنحاء المروحة في الضاغط الطارد المركزي ، ولكنها أقل وضوحًا في الضواغط المحورية نظرًا لقصر أطوال الممرات. ^{[ 9 ]} يكون انحناء التدفق منخفضًا في الضواغط المحورية، لكن الطبقات الحدية تكون سميكة على جدران الحلقة، مما يؤدي إلى تدفقات ثانوية كبيرة. ^{[ 10 ]} يكون انحناء التدفق في شفرات التوربينات وريشها عاليًا، مما يُولّد تدفقًا ثانويًا قويًا. ^{[ 11 ]}

تحدث التدفقات الثانوية أيضًا في مضخات السوائل وتشمل الدوران المسبق عند المدخل، أو دوامية المدخل، وتدفق خلوص الطرف (تسرب الطرف)، وانفصال التدفق عند التشغيل بعيدًا عن ظروف التصميم، والدوامية الثانوية. ^{[ 12 ]}

يوضح الشكل التالي، من ديكسون ^{[ 13 ]} ، التدفق الثانوي الناتج عن دوران التدفق في ريشة ضاغط محوري أو ممر ثابت. لنفترض تدفقًا بسرعة اقتراب c1. سيكون توزيع السرعة غير منتظم بسبب الاحتكاك بين جدار الحلقة والسائل. وتكون دوامية هذه الطبقة الحدية عمودية على سرعة الاقتراب.${\displaystyle c_{1}}$وبحجم $${\displaystyle w_{1}={\frac {dc_{1}}{dz}},}$$حيث z هي المسافة إلى الجدار.

بما أن دوامات كل شفرة على الأخرى ستكون في اتجاهين متعاكسين، فسيتولد دوام ثانوي. إذا كانت زاوية الانحراف، ε، بين ريش التوجيه صغيرة، فإن مقدار الدوام الثانوي يُعبر عنه بـ $${\displaystyle w_{s}=-2e\left({\frac {dc_{1}}{dz}}\right)}$$

سيكون هذا التدفق الثانوي هو التأثير المتكامل لتوزيع الدوامة الثانوية على طول طول الشفرة.

تعتمد محركات التوربينات الغازية على تدفق هواء أولي لتوليد الطاقة يمر عبر الضاغط. كما أنها تحتوي على تدفق ثانوي كبير (25% من التدفق الأساسي في محرك برات آند ويتني PW2000 ) ^{[ 14 ]} ، يتم الحصول عليه من التدفق الأولي، ويُضخ من الضاغط ويُستخدم بواسطة نظام الهواء الثانوي. ومثل التدفق الثانوي في الآلات التوربينية، يُعد هذا التدفق الثانوي أيضًا خسارة في قدرة المحرك على توليد الطاقة.

يُطلق على التدفق المُولِّد للدفع، والذي يمر عبر الدورة الحرارية للمحرك، اسم التدفق الهوائي الأولي. وقد كان استخدام تدفق الدورة فقط قصير الأمد نسبيًا، كما هو الحال في المحرك النفاث التوربيني. يُطلق على تدفق الهواء عبر المروحة أو مروحة الآلة التوربينية اسم التدفق الثانوي ، وهو ليس جزءًا من الدورة الحرارية. ^{[ 15 ]} يُقلل استخدام التدفق الثانوي من الفاقد ويزيد من الكفاءة الإجمالية لنظام الدفع. وقد يكون التدفق الثانوي أكبر بكثير من التدفق عبر المحرك.

خلال ستينيات القرن العشرين، سعت الطائرات التجارية والعسكرية إلى تحقيق سرعات تتراوح بين 2 و3 ماخ. استخدمت طائرات الكونكورد ، ونورث أمريكان إكس بي-70، ولوكهيد إس آر-71 فوهات فوق صوتية من نوع القاذف، والتي كانت تعتمد على تدفق ثانوي مُستمد من مدخل الهواء قبل ضاغط المحرك. استُخدم هذا التدفق الثانوي لتنظيف حجرة المحرك، وتبريد غلاف المحرك، وتبريد فوهة القاذف، وتخفيف التمدد الأولي. وكان التدفق الثانوي يُقذف بفعل ضخ تدفق الغاز الأولي عبر فوهة المحرك وضغط الهواء في المدخل.