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Strength and timing of primary and secondary vortices generated by a rotating plate

Résumé

Accurate predictions of how vortices grow, evolve, and separate from aerodynamic objects are desirable for various applications ranging from autonomous aerial vehicles to wind turbines. Here, we present an experimental characterisation of the formation process of vortices created by the rotation of a thin rectangular flat plate. The plate is rapidly accelerated from rest up to a constant rotational velocity that was varied to explore the effect of the Reynolds number on the limit strength and the timing of successively generated vortices at the tip of the plate. The total non-dimensional positive circulation released at the tip of the plate during the entire rotation varies solely as a function of the angular position of the plate. Initially, all this circulation accumulates in a primary or starting vortex until this vortex separates after a constant non-dimensional time for all rotational velocities and different plate dimensions tested. An empirical model of the prediction of the limit strength of the primary vortex based on the constant non-dimensional formation is presented. The limit strength of the primary vortex is independent of the Reynolds number. After the primary vortex separates, a series of smaller secondary vortices form at the tip of the plate. These secondary vortices are discretely released at increasing time intervals. The timing of the release of the secondary vortices and their non-dimensional strength depend on the Reynolds number, and an empirical prediction model is presented.

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Concepts associés (32)
Vitesse angulaire
En mécanique, la ou est une grandeur physique qui représente le taux de variation d'un angle par rapport au temps. C'est l'analogue de la vitesse de translation pour un mouvement de rotation. La vitesse angulaire est définie comme la dérivée par rapport au temps de la position angulaire de l'objet en rotation : Si on dérive une nouvelle fois la vitesse angulaire, on obtient l'accélération angulaire.
Tourbillon (physique)
vignette|upright=0.65|Tourbillon d'eau dans une bouteille. Un tourbillon est, en dynamique des fluides, une région d'un fluide dans laquelle l'écoulement est principalement un mouvement de rotation autour d'un axe, rectiligne ou incurvé. Ce type de mouvement s'appelle écoulement tourbillonnaire. On en observe à toutes les échelles, depuis le tourbillon de vidange d'une baignoire jusqu'à ceux des atmosphères des planètes, en passant par les sillages observés au voisinage d'un obstacle situé dans un écoulement liquide ou gazeux.
Mouvement de rotation
La rotation ou mouvement de rotation est l'un des deux mouvements simples fondamentaux des solides, avec le mouvement rectiligne. En génie mécanique, il correspond au mouvement d'une pièce en liaison pivot par rapport à une autre. La notion de mouvement circulaire est une notion de cinématique du point : on décrit la position d'un point dans le plan. La rotation est une notion de cinématique du solide : on décrit l'orientation d'un solide dans l'espace. L'étude du mouvement de rotation est la base de la méthode du centre instantané de rotation (CIR).
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