Por que um vórtice na entrada de um tubo causa uma contração abaixo do tubo curto de um contêiner de descarga?

Ao descarregar água de um tubo curto, notei que um vórtice começou a se formar na parte superior do tubo de descarga, causando a contração do jato de um tubo curto (menos do que a área da seção transversal do tubo curto).

Minha pergunta é por que o jato se contrai abaixo do tubo curto?

Quando o vórtice se forma, a velocidade é máxima:

A_{1} v_{1} = A_{2} v_{2}

$A_1v_1=A_2v_2$

Portanto, a área deve ser mínima.

Também observei que o jato contratado mantém esse estado até que toda a água seja descarregada do contêiner. Isso poderia ser explicado em termos de perda de carga causada pelo vórtice?

fluid-mechanics

— user314409
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A que se referem A1, A2, v1, v2? E você pode dar uma indicação das dimensões?

— Han-Kwang Nienhuys

O que é uma "vorcidade"? Você quer dizer " vorticidade "? ou talvez " vórtice "?

— Dave Tweed

@ Han-KwangNienhuys: Acho que podemos assumir que A n é uma área transversal e v n é a velocidade. Seu produto é uma constante para um fluido incompressível.

— Dave Tweed

@DaveTweed - sim, essa parte eu adivinhei bem. Mas a quais locais no caminho do fluxo '1' e '2' se referem?

— Han-Kwang Nienhuys

Esse ar está na segunda foto? Se é ar, acho que responde à sua pergunta, certo?

— Lucas Franceschi

Respostas:

Na segunda foto, parece que há ar dentro do tubo. Isso está correto?

Nesse caso, a razão pela qual há menos área fora do tubo é que a água dentro do tubo estava apenas nas paredes do tubo, com um espaço vazio (ar) em seu núcleo. Agora, quando a água sai do tubo, a água não é mais atraída para as paredes do tubo e pela tensão superficial se agrupa no centro. Embora pareça que a área é menor, não é o caso, havia ar no centro do tubo e depois que a água sai, não há mais ar.

Espero que ajude.

— Lucas Franceschi
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Oi @ Lucas Franceschi, você está certo - havia ar dentro do tubo. Por que a água não é atraída para as paredes do tubo quando sai do tubo?

— user314409

bem, não há mais paredes depois que sai do tubo, certo? você pode ver uma pequena quantidade de água parada na saída do tubo, atraída por ele, mas o restante do jato se aglomera para compensar a falta de ar presente nos tubos. Se você considerar que o tubo não está completamente cheio, mas possui ar, a "contração do jato" é mais compreensível.

— Lucas Franceschi

Eu acho que a taxa de fluxo e a tensão superficial são os dois principais ingredientes aqui. Você pode ver o mesmo efeito na torneira da cozinha quando varia de alto a baixo fluxo. A contração é facilmente visível.

Eu suspeitaria que baixas velocidades permitem que a tensão superficial tenha mais tempo para agir e contrair o limite da água. Fluxos mais altos podem tender a dominar a tensão superficial.

Talvez uma boa analogia seria como o perfil de velocidade dentro de um tubo durante o fluxo laminar é decididamente diferente do perfil de velocidade durante o fluxo turbulento. Em fluxo turbulento, é decididamente mais "quadrado".

— Inquisitivo
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