Закрутка потоков создается тремя основными методами:

- использованием тангенциального подвода (генератор за­крутки с осевым и тангенциальным подводом);

- применением направляющих лопаток (закручивающее устройство);

- непосредственным вращением (вращающаяся труба).

На рис.1.4 показано закручивающее устройство (с осевым и тангенциальным подводом), широко используемое для созда­ния однородных устойчивых струй для подробных эксперимен­тальных исследований. Количество подаваемого воздуха может регулироваться и измеряться отдельно, так что простым изменением расходов воздушных потоков можно изменять сте­пень закрутки от нулевой до очень высокой, приводящей к образованию сильно закрученных струй с обратными токами. Для таких систем требуется относительно высокий уровень полного давления, и в промышленных горелках часто используются системы с направляющими лопатками, в которых ло­патки расположены таким образом, что они изменяют направ­ление потока.

Рис.1.4 Закручивающее устройство с осевым и тангенциальным подводом.

При радиальном подводе воздуха к закручиваю­щему устройству радиальные и тангенциальные углы лопаток могут быть изменены на месте при реализации закручивающе­го устройства с адаптивным блоком, что в конечном итоге аналогично использованию тангенциального подвода. Система с адаптивным блоком эффективна в том случае, когда необхо­димо создать определенный уровень закрутки при относитель­но низком перепаде давления, поскольку при этом можно по­лучить высокую интенсивность закрутки. В случае осевого те­чения в трубе закручивающее устройство или закручивающий лопаточный аппарат состоит из фиксированных лопаток с уг­лом установки φ относительно направления основного потока. Эти лопатки отклоняют поток и придают ему вращательное движение. Такой метод используется в топках и газотур­бинных камерах сгорания. Обычно лопатки устанавливаются на центральной втулке и располагаются в кольцевой области вокруг нее. С целью улучшения условий на выходе делались попытки использовать закручивающие устройства без втулок, однако срыв потока на лопатках обусловливает слож­ную картину течения и приводит к нарушению осевой симмет­рии. Закрутка может быть также создана непосредственным вращением потока. Так, в одном из экспериментов исполь­зовался цилиндр, вращающийся с частотой 9500 об/мин и со­здающий закрутку силами трения на стенке цилиндра, дейст­вующими на проходящий через него поток. Вследствие относи­тельно низкой вязкости воздуха таким методом можно создать лишь небольшую закрутку. Силы трения могут быть значи­тельно увеличены установкой во вращающую трубу перфори­рованных пластин, пучков труб или пористых дисков. На выходе из таких систем получаются профили скорости, соот­ветствующие закрутке газа как целого, аналогично случаю увле­чения частиц жидкости диском, вращающимся с постоянной угловой скоростью Ω. В вязкой жидкости вращающиеся тече­ния (т.е. вихри) всегда содержат центральное ядро с враще­нием жидкости как целого (или вынужденный вихрь). Вне центральной области могут преобладать условия свободного (или потенциального) вихря, что наблюдается при образова­нии в атмосфере смерчей, пылевых бурь, торнадо, ураганов и циклонов. Огневые смерчи, возникающие при лесных и городских пожарах, могут быть смоделированы в лаборатор­ных условиях вращением большого цилиндрического экрана из проволочной сетки над разлитым жидким горючим или над газовым факелом, когда пламя располагается по цент­ральной вертикальной оси цилиндра.

Для классификации и оценки этих типов течений целесооб­разно рассмотреть движение жидкости в цилиндрических коор­динатах. Предполагаются осевая симметрия и равенство нулю радиальной и осевой скоростей (u=v=0). Тогда единствен­ной ненулевой компонентой скорости оказывается окружная, зависящая только от радиуса ω=f(r). Завихренность со опре­деляется как ротор вектора скорости. В простом случае вра­щающейся жидкости, когда u=v=0 и скорость закрутки за­висит только от радиуса г, завихренность равна

,

т.е. отлична от нуля лишь x-компонента вектора ω. Во вра­щающихся течениях с распределением окружной скорости

ω=c/r (1.11)

завихренность равна нулю (со==0). Такие течения являются потенциальными (безвихревыми) и называются потенциальны­ми или свободными вихрями.

Течения с вращением жидкости как целого имеют распреде­ление скорости

ω==c'r (1.12)

и называются вынужденными вихрями. Ясно, что вектор ω в них отличен от нуля и такие течения называются завихрен­ными.