渦旋

渦旋有時也稱旋渦，是流體團的旋轉運動。一般旋渦內部有一渦量的密集區，稱為渦核，其運動類似剛體旋轉，速度與半徑成正比。在它的外部，流體的圓周速度與半徑成反比。

渦是旋渦的一種形態，專指湍流運動中的不均一、不規則的各種尺寸的旋渦。其尺寸，大的和整個湍流的廣延同量級，如在湍流邊界層中，最大的渦與邊界層厚度同量級；小的則小到分子粘性進行動量交換的尺度。在湍流運動中，由於渦的彼此拉伸機制，使渦由大變為略小、較小、更小的各種尺寸的渦。渦的旋轉能量隨之由大渦傳遞給較小的渦，再傳給更小的渦，直到最小的那一級渦上粘性應力直接起作用把旋轉動能轉變為熱能而耗散掉。

用無粘性理想流體理論研究機翼繞流時，需要運用許多理想旋渦的概念。如渦核半徑為零的集中渦（或線渦），渦心上速度為無窮大；由無數集中渦排列而成的渦面，是切向速度的不連續面；在定常流動中，渦軸與氣流速度方向處處一致的渦線為自由渦，否則為附着渦；在流場中不承受壓差的渦面稱為自由渦面，否則為附着渦面。這些理想旋渦是有限翼展機翼升力線理論和升力面理論的基礎。實際流場中還有脱體渦和尾跡渦。

描述渦旋運動的有以下幾個重要物理量 ^[1]  ：

渦量：設v是速度矢量，則 Ω=▽╳v 定義為渦旋矢量，簡稱渦量。

渦線：處處與渦旋矢量相切的曲線稱為渦線，它由同一時刻不同流體質點組成。渦線上各流體微團繞渦線的切線方向旋轉。

渦管：在渦旋場內取一非渦線且不自相交的封閉曲線L，通過它的所有渦線構成一管狀曲面，稱為渦管。若曲線L無限小，則稱為渦管元。如果在渦管周圍流體的渦量皆為零，則稱此渦管為孤立渦管

脱體渦從彈體背風面或機翼的尖前緣分離出來的旋渦。它們都屬自由渦，在往下游的方向上旋渦強度不斷加強,直到成為尾跡渦為止。它們從分離線脱出後,渦層末端捲成具有渦核的旋渦。圖中是用煙跡法顯示的三角翼上表面脱體渦中心的照片。在旋渦破裂之前，由於旋渦處的低壓使機翼產生附加渦升力。旋渦破裂後，突然擴散，形成湍流團。圖中還顯示出兩種破裂形式。上方是螺旋型破裂，下方是渦泡型破裂。翼表面上方旋渦破裂後，升力突然下降，壓力中心前移。

尾跡渦如二維圓柱繞流背風面的脱體渦，其中包括著名的卡門渦街，以及機翼後緣開始捲起的旋渦等。在一定距離後，機翼尾跡渦逐漸捲成一對具有渦核的旋渦（也稱翼梢渦）。此後由於渦量的對流和粘性耗散，旋渦半徑逐漸擴大，內部壓強和速度逐漸趨近於來流值。大型飛機的尾跡渦可能對處於尾跡區的小型飛機造成災難性後果。超音速飛行器的尾跡渦可以傳播到很遠的地方。

旋渦有時能明顯看到 ，如大氣中的龍捲風、橋墩後的旋渦區、划船時船槳產生的旋渦等；也有許多小旋渦不易觀察到，如物體在流體中運動時，物體邊界層中的小渦，以及湍流中的隨機渦等。旋渦強度可用渦通量或速度環量表示 。渦通量是渦量通過某一截面S的通量，而旋渦中某點渦量的大小是流體微團繞該點旋轉的平均角速度的兩倍，方向與微團的瞬時轉動軸線重合。旋渦的產生伴隨着機械能的耗損，從而對物體產生流體阻力，降低其機械效率。但在空氣動力學中，正是依靠旋渦才使機翼獲得升力；在水利工程中，則利用排水口處形成的旋渦消耗水流動能，以保護壩基不被急瀉而下的水流沖壞。

漲潮與落潮相互作用產生的大尺度渦叫漩渦，它是一種旋轉的海流。中心向下運動叫渦旋，當海岸和海底地形有相當深的窄通道時就會出現。河流裏的渦旋運動略有不同。在湍流的一定階段，就會形成中心向上運動的旋轉水流，叫做湧，在水面上很容易見到。世界上有一些著名的大旋渦，如加羅法洛旋渦、墨西拿旋渦、梅爾斯托姆旋渦、鳴門旋渦等等。日本淡路島與四國之間有一條長約1.3公里的狹長水道叫鳴門海峽。漩流是由於瀨户內海和外海的潮位之差所產生的現象，當海水通過狹窄的瀨户時，潮流變急，流經擋路的暗礁就形成大小的漩渦。滿潮時在播磨灘、退潮時在紀伊海峽側造成漩渦，春天和秋天的大潮日是觀潮最好的時候。在鳴門橋的橋桁內設有450米長的散步路，前端設有迴游式瞭望設施的鳴門漩渦觀光新名勝。從海上約45米高處隔着玻璃窗往下看去，漩渦驚心動魄，驚險萬分。這裏的旋渦直徑可達20米。上圖就是在鳴門拍攝的一個大旋渦。

熱帶氣旋(Tropical Cyclone)是一種低氣壓天氣系統，於熱帶地區離赤道平均3-5緯度外的海面(如南北太平洋，北大西洋，印度洋)上形成，其它移動主要受到科氏力及其它大尺度天氣系統所影響，最終在海上消散、轉化為温帶氣旋或在登陸陸地後消散。登陸陸地的熱帶氣旋可以造成嚴重的財產或人命傷亡，是由天氣引發天災的一種。不過熱帶氣旋亦是大氣循環其中一個組成部分，能夠將熱能及地球自轉的角動量由赤道地區帶往較高緯度。

熱帶氣旋的最大特點是它的能量來自水蒸氣冷卻凝固時放出的潛熱。其它天氣系統如温帶氣旋主要是靠冷北水平面上的空氣温差所造成。熱帶氣旋登陸後，或者當熱帶氣旋移到温度較低的洋麪上，便會因為失去温暖而潮濕的空氣供應能量，而減弱消散或轉化為温帶氣旋。

熱帶氣旋的氣流受科氏力的影響而圍繞着中心旋轉。在北半球，熱帶氣旋沿逆時針方向旋轉，在南半球則以順時針旋轉。

不同的地區習慣上對熱帶氣旋有不同的稱呼。西太平洋沿岸的中國、台灣、日本、越南、菲律賓等地，習慣上稱當地的熱帶氣旋為颱風。而大西洋則習慣稱當地的熱帶氣旋為颶風。其它地方對熱帶氣旋亦有不同稱呼，在澳大利亞，被稱為“威力”。氣象學上，則只有風速達到某一程度的熱帶氣旋才會被冠以“颱風”、“颶風”等名字。

水在急速運動的時候會旋轉，因此形成所謂的“旋渦”即“渦旋”。

流體團的旋轉運動。在自然界中，渦旋有時能明顯地看到，例如大氣中

的龍捲風，橋墩後水流形成的旋渦區，划船時產生的旋渦等等。但在更多的情況下，人們不易察覺到渦旋的存在。例如，當物體在真實流體中運動時，在物體表面形成一層很薄的邊界層，此薄剪切層中每一點都是渦旋；又如自然界大量存在着的湍流運動充滿着不同尺度的渦旋，這些渦旋都是肉眼難以辨認的。

渦旋的產生伴隨着機械能的耗損，從而相對物體(飛機、船舶、水輪機、汽輪機）產生流體阻力或降低其機械效率。但是，另一方面，正是依靠渦旋，才使機翼獲得舉力。在水利工程例如泄水口中，為了保護壩基不被急瀉而下的水流沖壞，採用消能設備，人為地製造渦旋以消耗水流的動能。這些就是研究渦旋的實際背景。