基本介紹
- 中文名：開爾文-亥姆霍茲不穩定性
- 外文名：Kelvin–Helmholtz instability
- 不穩定類型：切變不穩定
- 不穩定條件：里查森數小於0.25
理論,簡介,科學原理,套用範圍,
理論
在一些波長短到一定程度的狀態下，如果忽略表面張力，以不同速度平行運動的兩種不同密度流體的界面下，在所有速度時都會不穩定。然而，表面張力可抵消短波長的不穩定狀態，而理論預測直到達到速度閾值以前都是穩定的。包含表面張力的理論可大致預測在風吹過水麵時產生波的界限。
在重力作用下，連續變化的密度和速度分布（較輕的層在上方，所以流體是瑞利－泰勒穩定）使開爾文-亥姆霍茲不穩定性的動力學是以泰勒－戈德斯坦方程描述。而不穩定性開端可由理查遜數（Richardson number，Ri）得知。通常情況下Ri<0.25就會不穩定。這些效應常在雲層中出現。對於不穩定性的研究也可套用在電漿物理學中，例如慣性約束聚變和電漿－鈹的界面。
在數值模式下，開爾文-亥姆霍茲不穩定性是以時間發展或空間發展方式模擬。時間發展方式下採用周期邊界條件進行模擬。空間發展方式則採用實際中的入口和出口條件。
簡介
兩種流體作平行相對運動，對於沿流速方向的小擾動，運動流體是不穩定的,稱為開爾文-亥姆霍茲不穩定性。如果在流速方向存在一個平行於分界面的磁場，則它對沿流速方向的小擾動有致穩作用。如果兩種流體流速差引起的失穩作用大於磁場的致穩作用，就出現磁流體力學開爾文-亥姆霍茲不穩定性。在天體物理領域中，經常出現這種不穩定性的現象。
磁流體力學開爾文-亥姆霍茲不穩定性
磁流體力學開爾文-亥姆霍茲不穩定性科學原理
流體運動穩定性理論研究流體運動穩定的條件和失穩後流動的發展變化，包括過渡為湍流的過程。從理論上研究流體運動的穩定性時，常從擾動量（包括擾動速度等）變化著手。如果假定擾動為無限小，可建立小擾動理論，即線性化理論；如果擾動為有限值，可建立有限擾動理論。
層流向湍流過渡，必從失穩開始。但失穩後可能轉變為另一種層流，而不一定過渡為湍流。Л.Д.朗道1944年提出一種可能的過渡形式：隨著某流動參數（例如雷諾數）的逐漸增大，原先的層流失穩並變為另一種穩定層流；參數繼續增大時，此層流將再失穩而變為另一種更複雜的層流，如此繼續下去，終於失去層流的規則性而轉變為湍流。這種過程稱為重複分岔。小擾動理論可用於求第一個分岔點。對於某些流動，例如熱對流和兩同軸圓筒間的庫埃特流，實驗已證實存在第一和第二個分岔點；而另外一些流動，例如圓管中的泊肅葉流（見管流），一旦失穩，總是立即轉變為湍流。下面介紹幾種典型的流體運動穩定性問題。
波狀雲
波狀雲兩種不同流體有一個明確界面時的穩定問題。包括以下兩個問題。
1、瑞利－泰勒穩定問題
2、開爾文－亥姆霍茲穩定問題
即兩種流體作平行於水平界面的相對運動時的運動穩定性問題。最簡單的例子是兩種流體的速度均為常值且方向相同。用v1、v2分別表示上層和下層流體的速度,設ρ1<ρ2,且流體在各方向都伸展至無窮遠,當不考慮流體粘性和界面張力時,按照小擾動理論，不論v1-v2為何值，界面都是不穩定的。若考慮界面的表面張力,並用σ表示，則當相對速度滿足下式時不穩定：式中g為重力加速度。如果用此模型表示海面由於風吹而引起波浪，則可算出：v1－v2=6.50米/秒時界面失穩而起浪。實際上產生海浪的原因很多，風速遠小於此值時也可有浪。但觀察發現，風速達到此值時，碎浪和蒸發率將突然增加。此模型的界面是流速不連續面。有的學者還提出兩種流體速度在界面處連續的其他模型。
套用範圍
1883年，O·雷諾首次做了層流過渡為湍流的實驗，後來人們認識到這種過渡是層流的一種失穩現象。不少自然現象和工程技術問題，例如颱風形成、大氣波動、邊界層過渡、雷射核聚變中球面壓縮等，都涉及流體運動穩定性問題。如氣象學中出現的波狀雲也被稱之為開爾文-亥姆霍茲不穩定性現象，這種雲通常在廣闊的平原地區出現，在平原地區，風速迅速改變形成渦流，移動迅速的輕密度雲朵滑動到移動緩慢的雲層上，於是就製造出了波浪的視覺效果。快速移動且密度較低的雲層在速度較慢且密度更高的雲層上方移動，形成雲浪。雲浪是一層捲雲內部出現湍流的結果，捲雲內的氣流速度和方向存在差異，導致雲朵形成好似在水上翻滾的景象。
波狀雲
波狀雲