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Início/Biofísica, fluidos e geociências/Escoamento de Taylor–Couette

Escoamento de Taylor–Couette

Vão d, cilindros Ω_i e Ω_o, viscosidade cinemática ν: número de Taylor Ta e limiar Ta_c dos vórtices toroidais — esquema e fórmula.

Rotação e fluido

8
0
0.04
0.01
0.0001

Instabilidade de Taylor–Couette: ao superar o Ta crítico (~1708 no caso canônico) aparecem vórtices toroidais. Aqui Ta é um substituto a partir da escala de Re do vão — escala didática, não uma medição.

Grandezas medidas

Re (vão)32
Ta (substituto)4301
Rolos (Ta>Ta_c)yes

Sobre o modelo

O escoamento de Taylor–Couette entre cilindros coaxiais perde a estabilidade quando a diferença de velocidades angulares é grande o bastante: aparecem os vórtices toroidais de Taylor. O critério é o número de Taylor; no caso canônico incompressível, Ta_c ≈ 1708. Aqui Ta é estimado com o número de Reynolds do vão, escala (ΔΩ R d/ν)² — uma estimativa didática, não a medição de um aparelho. Variam-se Ω_i, Ω_o, o raio médio R, o vão d e a viscosidade cinemática ν. No esquema, escoamento puramente azimutal ou rolos se Ta > Ta_c. O limiar se lê no número: o desenho é ilustrativo.

Para quem: Hidrodinâmica da graduação: escoamentos em rotação, instabilidade hidrodinâmica.

Conceitos-chave

  • escoamento de Taylor–Couette
  • escoamento de Couette
  • vórtices de Taylor
  • número de Taylor
  • número de Reynolds do vão
  • instabilidade hidrodinâmica

Como funciona

O número de Taylor é estimado com ΔΩ, ν e a geometria do vão e comparado com Ta_c ≈ 1708. Abaixo do limiar, escoamento de Couette azimutal; acima, vórtices toroidais de Taylor esquemáticos. Estimativa pela escala de Reynolds do vão, não um dado de laboratório.

Perguntas frequentes

Por que os rolos podem aparecer já perto do limiar?
O desenho é esquemático. O critério de instabilidade é a comparação numérica de Ta com Ta_c ≈ 1708, não o desenho do esquema.
O que é o número de Taylor?
Uma medida adimensional: o empuxo centrífugo contra o amortecimento viscoso. No caso canônico (o cilindro interno gira, o externo está em repouso, vão estreito) a estabilidade se perde em Ta_c ≈ 1708.
Isto calcula o campo de velocidade?
Não. Estima-se Ta e desenham-se rolos esquemáticos. As equações de Navier–Stokes no vão não são resolvidas.