Вихрь в котором давление повышено в центре
В статье “Чудесный рычаг” на примере пращи мы познакомились с необычным способом увеличения скорости вращающегося тела. Принудительное втягивание груза в центр его вращения обеспечивает разгон груза прямо пропорционально сокращению расстояния до центра вращения. Так при уменьшении радиуса вдвое, имеем двухкратное приращение скорости. Соответственно, при пятикратном сокращении радиуса, можно увеличить скорость груза в пять раз. При этом его кинетическая энергия возрастёт в двадцать пять раз !
Удивительно здесь то, что сравнительно медленным движением кисти руки мы придаём грузу очень высокую скорость, в десятки раз большую, чем скорость руки.
И, всё же, настоящего чуда здесь нет, поскольку весь прирост кинетической энергии груза происходит за счёт работы, совершаемой рукой.
Вот, если бы, втягивание груза в центр вращения осуществляла какая-то природная сила, не требующая затрат на её поддержание, то тогда это было бы настоящее чудо.
Но где же найти такую “бесплатную” центростремительную силу ?
Для начала уточним, что разгоняемое тело не обязательно должно быть твёрдым. Разгонять можно жидкость и даже газ.
Далее, представим себе цилиндр, в котором вращается вода. Центробежное ускорение оттесняет воду к стенкам цилиндрического сосуда, и поверхность воды принимает форму, изображённую на рис.1.
Вблизи стенок сосуда давление жидкости повышается, а в центре сосуда давление понижается. Возникший перепад давления становится источником центростремительной силы, уравновешивающей центробежное ускорение.
Вихревое движение воды породило центростремительную силу. Но эта сила в нашем случае не совершает никакой полезной работы, поскольку распределение воды в сосуде статично, то есть каждая порция воды имеет неизменный потенциал давления и скорости.
Для того чтобы сила могла совершать работу, необходимо организовать перетекание воды из зоны с высоким давлением в зону с пониженным давлением. Именно так организовано движение жидкости в промышленных циклонах, предназначенных для очистки водяной смеси или запылённого воздуха, или какой-то другой жидкости.
Основная часть корпуса циклона – это длинный конус. В верхней части конус переходит в цилиндрический приёмник, в который подаётся поток жидкости (по касательной к стенке приёмника). Благодаря тангенциальному вводу, жидкость в приёмнике закручивается, а дальше начинается самое интересное.
В центре вращающейся массы жидкости формируется зона низкого давления, которое в некоторых моделях циклонов может быть ниже давления атмосферы. Возникающее разрежение стремится переместить порции жидкости ближе к центру вращения, пересиливая центробежное ускорение. В результате этого, вращающаяся жидкость переходит на меньший радиус вращения и поступает в коническую часть циклона.
При уменьшении радиуса вращения происходит увеличение скорости (точно также, как в праще), что способствует ещё большему падению давления в центре вихря. Под действием нарастающего вихревого перепада давления между центром и периферией, жидкость продолжает опускаться вниз по конусу, всё более сокращая радиус вращения.
Дойдя до самой узкой части конуса, сильно закрученный поток ударяется в нижнюю заглушку и устремляется вверх в виде узкого вихревого шнура. Для отвода этого узкого центрального вихря используется отводная труба, по которой спиральная струя покидает циклон.
Также, как и в праще, в циклоне происходит принудительное перемещение вращающейся массы ближе к центру вращения. Скорость вращающейся массы при этом неизбежно нарастает пропорционально уменьшению радиуса вращения (закон сохранения момента импульса).
Однако, в отличие от пращи, в циклоне центростремительная сила формируется не за счёт приложенной механической силы, а благодаря возникающему в вихре разрежению.
В лучших моделях промышленных циклонов скорость струи жидкости в выходном вихревом шнуре может в пять и более раз превышать скорость струи на входе в циклон. И это при том, что в циклоне нет ни одной движущейся детали, разгоняющей жидкость.
Разумеется, напор, под действием которого жидкость подается в цилиндрическую часть циклона, является первопричиной начального разгона струи в цилиндрической части циклона. Но, в дополнение к этой внешней силе, в спирально закрученной струе, чудесным образом, формируется внутренняя сила, направленная в центр вихря.
Само по себе разрежение, конечно же, не является источником силы. Сила образуется благодаря наличию статического давления жидкости в циклоне и наличию разрежения. В паре эти два условия и порождают центростремительную силу, ускоряющую спирально сходящуюся струю в циклоне.
Как правило, статическое давление в циклоне незначительно превышает давление атмосферы. А вот давление в центре вихря, в самой узкой части конуса, может снижаться почти до нуля.
Таким образом, основной вклад в создание перепада давления вносит атмосфера, которая своим давлением, как бы заталкивает жидкость в зону разрежения.
Фактически, в промышленных очистных циклонах атмосфера абсолютно безвозмездно выполняет работу по ускорению вихревой струи в конической части циклона.
К сожалению, конструкторы циклонов не придают значения эффекту атмосферного разгона жидкости, поскольку их главная задача – повышение степени очистки жидкости, подаваемой в циклон.
В статье, рассказывающей про ускорение струи в горле сопла Вентури, уже отмечалось, что разрежение в горле сопла может в 5–6 раз превосходить располагаемый напор жидкости.
Циклон – это тоже своего рода эжектор, но ещё более эффективный в отношении степени разрежения. В оптимально сконструированном циклоне-эжекторе величина разрежения может превышать входной напор более, чем в десять раз.
Другими словами, достаточно глубокая степень разрежения может быть достигнута (в циклоне) при сравнительно малом напоре входного потока. При этом, работа по ускорению вихря пропорциональна суммарному перепаду давления (входной напор плюс разрежение). Стало быть, основная часть полезной работы совершается силами, порождёнными самим вихрем. Основным поставщиком энергии, конечно же, является атмосфера, сжатая силами земного тяготения.
Создавая небольшой первоначальный напор на входе в циклон, мы лишь инициируем процесс формирования спирального вихря, благодаря которому пассивное атмосферное давление превращается в источник активной движущей силы.
Существенное отличие циклона от классического эжектора на основе сопла Вентури состоит ещё и в том, что выходная скорость струи в циклоне не гасится диффузором, благодаря чему скоростной напор выходной струи может быть полезно использован.
Например, вода, поступающая в циклон при напоре, в два метра водяного столба, может быть поднята на высоту пять метров над уровнем входного патрубка циклона, исключительно благодаря энергии атмосферы.
Чудесные гидравлические эффекты, возникающие в коническом циклоне, дают нам шанс подключится к неиссякаемому хранилищу энергии под названием “ земная атмосфера”.
Временное заимствование порции энергии из атмосферного океана всегда завершается возвратом этой порции обратно в атмосферу, в силу неизбежного рассеивания полезно использованной энергии в низкопотенциальное тепло земной атмосферы.
Именно поэтому, атмосфера неиссякаема, как источник энергии.
Как ни крути, изобретение надо патентовать.
Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 4020
Надежда Станиславовна Ковальчук.
Автор:
Игорь Юрьевич Куликов. Видео — Николай Геннадьевич Соков. Музыка — Композиция «Hills Behind» (Silent Partner).»
Источник
: 11 Ноя 2006 , Загадки «ржавой» ДНК , том 12,
№6
Завихрения — одна из основных форм движения текучей среды. Их структура и размеры удивительно разнообразны. Вихри образуются в технических сооружениях, устройствах, механизмах, а также в реках, океанских течениях, атмосферных потоках… Они могут быть нашими помощниками, как, например, при создании подъемной тяги самолетов, но могут быть и врагами, порождая разрушительные явления огромной мощности, такие как ураганы и торнадо. У вихревых потоков много уникальных свойств…
Толковый словарь великорусского языка Даля дает много синонимов слова «вихрь», говорящих сами за себя: кружалка, заверть, ветроворот, столбовый ветер, даже чертова свадьба… Но для современного горожанина наиболее знакомым видом вихревого движения будет, пожалуй, водоворот, образующийся при вытекании воды из ванны.
Иногда вихревые следы можно наблюдать и на небе — вслед за летящим реактивным самолетом. Образуются вихри при обтекании самолетного крыла воздушным потоком. Кроме того, струи из реактивных двигателей самолета, фюзеляжные вихри (образующиеся в месте соединения крыла с фюзеляжем) вместе с так называемым неустойчивым сдвиговым слоем воздуха за крылом закручиваются в довольно мощные концевые вихри. Последние можно увидеть, например, за самолетом сельскохозяйственной авиации, летящим на низкой высоте и распыляющим через устройство под крыльями инсектициды, служащие своеобразными «маркерами» вихревого движения.
Следы в небе
В вихревом следе, образующемся при обтекании воздушным потоком самолетного крыла, обычно присутствуют вихревые структуры неправильной формы, со множеством мелких вихрей с осями, ориентированными в направлении полета. Такие завихрения можно увидеть на снимках крыла самолета, полученных методом лазерной визуализации.
Концевые вихри за самолетом становятся видимыми благодаря отработанным газам реактивных двигателей при полете на крейсерской скорости на большой высоте. При сгорании в двигателе авиационного топлива (керосина) образуются двуокись углерода, водяной пар, окись азота и сажа. На тех высотах, где летают самолеты, температура низкая, поэтому пары воды конденсируются на частицах, образуя в результате различных физических процессов (замерзания, испарения, сублимации) микрокапли или микрокристаллы. Последние и вовлекаются в концевые вихри, в результате чего за самолетом появляются длинные белые конденсационные «шлейфы», которые часто можно видеть в ясном небе.
Как долго будет существовать такой след, зависит от многих факторов, главным образом от температуры, направления ветра и влажности воздуха. Иногда шлейф рассеивается через несколько минут, в некоторых же случаях срок его «жизни» достигает нескольких часов. Замечено также, что при определенных условиях конденсационный след распадается на структуры наподобие вихревых колец.
Это явление называют обычно неустойчивостью Кроу по имени американского ученого С. К. Кроу, который в 1970 г. впервые дал аналитическое описание начальных стадий этого процесса. Кроу показал, что взаимодействие двух концевых вихрей может приводить к усилению так называемых возмущений вытеснения, длина волны которых в осевом направлении обычно в несколько раз превосходит начальное расстояние между вихрями. Позднее, в 1977 г. французские исследователи Т. Льюк и С. Вильямсон исследовали это явление в лабораторном эксперименте, полностью подтвердив выводы Кроу.
Вихрь фон Кáрмана
В атмосфере можно наблюдать и другие вихри. Например, с помощью спутника «Landsat 7» была обнаружена так называемая вихревая дорожка Кáрмана — больших размеров, с подветренной стороны острова Александр Селкирк (архипелаг Хуан Фернандес), расположенного в Тихом океане примерно в 800 км на запад от Чили.
Венгерский ученый Теодор фон Карман был первым, кто в 1911 г. обнаружил образование особой последовательности вихрей при обтекании кругового цилиндра, ось которого перпендикулярна встречному потоку, и описал условия ее формирования.
В случае острова Александр Селкирк хочется отметить два момента. Во-первых, эта последовательность встречных завихрений никогда не была бы открыта без применения спутниковых технологий. Во-вторых, удивляет то, что такой небольшой скалистый остров (его площадь составляет около 44 км2, а вершина самой большой горы высотой 1319 м легко достигает облаков) спровоцировал образование столь огромной вихревой дорожки.
Вихревые дорожки Кармана продолжают изучать до сих пор, поскольку периодические выбросы подобных вихрей бывают настолько мощными, что могут вызвать колебания (резонанс) в самых разных объектах. Подтверждением их опасности служит разрушение таким вихрем в 1940 г. моста Такома-Нэрроуз (штат Вашингтон, США).
У вихревых дорожек может быть невероятное множество конфигураций. Для подтверждения приведем лишь один пример, а именно — исследование Г. Эрхардтом из нашего Аэродинамического института (г. Ахен, Германия) в 1979 г. вихревых структур, образующихся при прохождении потока воздуха внутри и вокруг кольца, размещенного под прямым углом к потоку. Завихрения, идущие от внутреннего и внешнего краев такого кольца, представляют собой парные вихревые кольца, по форме похожие на облака на подветренной стороне острова Александр Селкирк. Очевидно, что размер кольца, измеряемый сантиметрами, совершенно не влияет на зарождение вихревой дорожки. Поэтому оно «работает» точно так же, как и остров, протяженность которого от одного побережья до другого составляет несколько километров.
Ураганы-убийцы
Хотя смерчи, циклоны, ураганы и торнадо не относятся непосредственно к предмету нашего рассмотрения, однако на определенном этапе своей «эволюции» они также могут рассматриваться как слабые вихри — до тех пор, пока не наберут силы и не перерастут в ураганы-убийцы, как их часто называют в США.
Небольшие воронкообразные облака время от времени образуются и над Европой — их можно видеть на снимках метеорологической службы. Воронки могут подниматься от земли до верхних слоев облаков. В случаях, когда они разрастаются до урагана, мощность ветра внутри них может превышать триллион ватт! Появляясь в последние годы все чаще, ураганы-убийцы могут опустошать огромные пространства, как это произошло в 2005 г. в США, где в результате «налета» урагана «Катрина» был затоплен Новый Орлеан.
Малые вихри можно моделировать в лабораторных условиях подобно уже упомянутой вихревой дорожке Кармана. Так, в 1990 г. Т. Саваде и Т. Льюку, ученым Аэродинамического института, удалось получить слабые вихри в форме зарождающихся вихревых структур в стеклянном контейнере квадратного поперечного сечения, наполненном водой и дополненном пластиной, закрепленной на стенке контейнера. Начальные вихри получали, поворачивая пластину на определенный угол. Для визуализации потока в воду впрыскивали разноцветные красители с заднего края пластины в шести осевых направлениях. Поток фотографировали в двух освещенных плоскостях — параллельной и перпендикулярной оси завихрения.
На серии снимков, сделанных в «профиль», благодаря красителям хорошо видны все этапы зарождения, развития и, наконец, разрушения первоначально «тонкого» вихря вследствие индуцированного им осевого движения. Разрушение структуры потока в центре завихрения отчетливо видно и на снимках, сделанных в «фас» — в плоскости, параллельной оси завихрения. Эти фотографии имеют некоторое сходство со снимками ураганов, сделанными со спутников или космических станций. Во второй серии экспериментов контейнер повернули на 90 °, так что ось пластины заняла вертикальное положение. Верхнюю стенку контейнера сняли, а на дно насыпали кварцевый песок. Затем стали изучать образование завихрения в слое жидкости над песчаным дном — песок в этом случае исполнял роль красителя, маркера вихревого движения.
Когда пластина поворачивалась, в воде возникало начальное завихрение, как и в предыдущем эксперименте. Затем также образовывались два других вихря, значительно слабее первого. Хотя кварцевый песок довольно тяжелый, в центре вихрей давление настолько понижалось, что песок засасывался и поднимался кверху. При относительно высоких скоростях вращения пластины ядро завихрения на некотором расстоянии от дна оставалось практически прямолинейным, а выше — закручивалось в спираль. В последующих экспериментах удалось показать, что при сильном завихрении ядро вихря может замкнуться в полный круг.
Подобные деформации ядра вихря наблюдались и в природных условиях — в случае торнадо. Так, А. Б. С. Уиппл в своей книге «Ураган» привел серию снимков, демонстрирующих развитие торнадо 6 июля 1978 г. в Северной Дакоте (США). Воронкообразное ядро торнадо, видное благодаря присутствию в нем водяного пара, имело практически форму круга, как и в описанном выше эксперименте.
Пузырек и спираль
Явление, при котором ядро вихря начинает отклоняться от прямой линии и закручиваться в спираль, называется разрушением спиралевидного вихря. Оно происходит и в потоках других типов, образующихся, например, в турбореактивных двигателях. Одним из примеров такого вихревого потока служит закрученный поток в модели диффузора гидротурбины, изученный швейцарскими учеными. Ядро завихрения, возникающего при прохождении диффузора, деформируется и приобретает форму спирали.
Еще один пример — закрученный поток в трубопроводе с переменным сечением, распад ядра которого вызывается ростом давления в трубопроводе в аксиальном (осевом) направлении. Нужно отметить, что предшественником разрушения спиралевидного вихря часто является распад другого типа — пузырьковый. Именно такой «пузырек» и образуется в потоке жидкости в трубопроводе. Сначала появляется вихревая структура в форме парных колец, одно из которых расположено по ходу потока от пузырька («вниз по течению»), а другое — выше по потоку. Давление в трубопроводе растет до тех пор, пока в нем не сформируется точка торможения, ниже которой жидкость начинает двигаться в обратном направлении.
Перед началом разрушения пузырек становится почти симметричным относительно своей оси, но затем завихрение, расположенное ниже по потоку, отрывается и движется вниз «по течению». Симметрия утрачивается, вихревое кольцо, покидая зону высокого давления, расположенную ниже точки торможения потока, разрушается. Ядро завихрения закручивается в спираль вокруг зоны высокого давления — поток начинает разрушаться по спиралевидному типу. Интересно, что хотя такие потоки в трубах активно изучались в последние двадцать лет, условия, определяющие переход от пузырькового распада к спиральному, до сих пор остаются неизвестными.
В 1978 г. американцы Дж. Х. Фэлер и С. Лейбович провели этот эксперимент таким образом, что и пузырь, и вихревое кольцо стабильно оставались в потоке на одном и том же месте. И прошло почти двадцать лет, прежде чем такую парную конфигурацию вихревого распада удалось смоделировать с помощью мощного компьютера — получив численное решение уравнения Навье-Стокса, описывающего течение вязкой жидкости. Повторил эксперимент Фэлера-Лейбовича М. Ваймер из Аэродинамического института, который показал, что пузырь после образования точки торможения на оси завихрения потока сначала немного «мигрирует» вверх по течению, а потом держится на постоянном месте.
Самолеты и космолеты
Разрушение вихрей может происходить и на крыльях сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей, обычно имеющих треугольную форму. Такие крылья генерируют на подветренной стороне вихревые системы — благодаря этому их подъемная сила увеличивается при больших углах атаки (наклоне крыла к линии полета). Такая вихревая система состоит из большого первичного вихря, двух-трех более мелких вторичных вихрей, вихрей третьего (а иногда и четвертого) порядка, а также сдвигового слоя. Благодаря низкому давлению в ядре первичного вихря подъемная сила крыла увеличивается нелинейно.
При больших углах атаки давление в основном потоке на верхней стороне крыла растет по направлению к его задней кромке — это влияет на структуру вихревого движения. И в случае, если давление начинает быстро расти, первичный вихрь распадается.
В. Лимберг и А. Штромберг, исследователи из Аэродинамического института, на модели транспортной космической системы с использованием метода визуализации потока показали, что режимы распада вихрей, описанные для закрученных потоках в трубах, «работают» и на подветренной стороне подобных космолетов.
«Ветвистые» трубы
Первые работы по расчетам характеристик течения жидкости в трубах были опубликованы более 150 лет назад Г. Хагеном и Дж. Пуайзелем. Казалось бы, что с тех пор почти все, что происходит в этих потоках, включая образование вихревых структур, можно было описать уравнениями, выведенными этими учеными. Однако ситуация радикально меняется, когда речь заходит об изогнутых или разветвленных трубах.
Хотя в первом случае задача усложняется лишь кривизной трубы, это значительно меняет всю картину. Описать же течение в разветвленных трубах еще сложнее — для них может существовать сразу несколько режимов потоков в зависимости от направления и интенсивности движения жидкости. Эта проблема была детально изучена в 1990 г. учеными из Аэродинамического института Р. Найкесом и Б. Бартманном, которые использовали трубы, соединенные под разным углом.
Ответвление в виде изогнутой трубы переменного сечения, например, генерирует вторичный поток, меняющийся от сечения к сечению. При взаимодействии его с основным потоком формируется несколько как бы «заплетенных в косички» линий тока жидкости. Это наводит на мысль, что завихрения в потоке образуются вследствие изгиба трубы, что подтверждается снимками окрашенного потока. Скручивание линий тока жидкости наблюдается также в случае, когда ответвление присоединено к основной трубе под прямым углом. Образование крайне нестабильной вихревой структуры наблюдается и тогда, когда поток поступает с обоих концов основной трубы.
Кольцевые и подковообразные вихревые структуры, периодически образующиеся в разветвленной трубе, движутся затем вместе с основным потоком. При этом частота образования завихрений во многом зависит от объемного расхода жидкости и числа Рейнольдса (соотношения характерных сил инерции и вязкости).
Вихри в автомобильном двигателе
В последние годы исследования вихревых структур ведутся и в таком важном прикладном направлении, как ус
