Макротурбулентные структури в великомасштабних потоках рідини

Макротурбулентные структури в великомасштабних потоках рідини

П.В.Полуян.

.

Известна стаціонарна комірчана конвекція, яка встановлюється в рідини між двох площин за наявності температурного градієнта. Ці, звані осередки Бенера, виникають за умов, виражених критичним числом Рэлея RAкр, що зв’язують ряд механічних і термодинамічних параметрів. У запропонованій статті якісно розглядається аналогічне явище в великомасштабному потоці рідини — річковому перебігу, де спостерігається нестационарная комірчана структура вертикальних конвективных рухів. Висунуто також гіпотеза — про існуванні микровихревой компоненти може гідродинамічного равновесия.

.

Рис. 2.

На рис. 1 дана картина стаціонарних осередків Бенера. Якщо б температурное поле, на нижньої пластині змінювалося випадково — так, щоб параметр RA, пов’язані з різницею температур, нерегулярно коливався близько величини RAкр, спостерігалася б нестационарная картина, де конвективные осередки виникало і зникали у різних місцях обсягу жидкости.

На рис. 2 представлена фотографія поверхні річки Єнісей у районі г. Красноярска — чітко видно зони з гладкою дзеркальній поверхнею, що перемежовувалися областями нерегулярних хвиль. Як свідчать наші спостереження, гладкі ділянки поверхні виникають унаслідок надходження з глибини конвекційних струменів, несучих значні обсяги води. Ці обсяги потім розтікаються поверхнею, зустрічають опір оточуючих верств населення та утворюють замкнуту кордон, де рідина закручується, йдучи вниз.

.

.

.

.

На рис. представлені знімки великим планом таких областей з чіткими межами. Кордон області освічена кільцевими вихорами, хіба що нанизаними на замкнуту нитку — викривлений контур. Ця структура нагадує зв’язку бубликів, тому ми пропонуємо і іменувати їх у подальшому. Такі зв’язки «бубликів «з'являються і перебувають у межах лічених хвилин, поступово зникаючи під напором навколишнього фронту хвиль. Процес виникнення «бубликів «пов'язані з внутрішніми особливостями турбулентного потоку єнісейської води та залежить від зовнішніх умов (так, наприклад, він швидко відновлюється після проходження річці швидкісного судна). Механізм виникнення «бубликів «потребує вивченні і моделюванні, поки висловимо кілька міркувань, заснованих на виключно наблюдениях.

Рис. 7, 8 .

Объем води, що надходить на поверхню в останній момент освіти «бубликів », досить значне й має великий імпульс — замкнутий контур такий гірлянди охоплює до 10 кв. метрів і виразно височить над середнім рівнем поверхні. У зв’язку з цим виникає запитання: як рухається знизу вгору цей об'єм — як так званої затопленої струменя або він спочатку має форму тороидального вихору, якогось «калача », виникає у глибині, що потім сягає поверхні і є розпадається на зв’язку «бубликів »? Вважаємо більш правдоподібним другого варіанта (cм. рис. 7, 8), а механізм виникнення тороидальных кільцевих вихорів у формі потужних «биттів «в придонному потоці воды.

Целесообразно привести міркування І.Пригожина про конвективных осередках. «Конвекцию Бенера можна уявляти собі наступним чином: слабкі конвективные струми, виникаючі як флуктуації щодо середнього стану, існують завжди, але нижче деякого критичного градієнта температури ці флуктуації загасають і зникають. Якщо ж ми обігнали критичне значення градієнта температури, то деякі флуктуації посилюються і породжують макроскопическое протягом. Виникає новий молекулярний порядок, по суті гігантська флуктуація, стабилизируемая з допомогою обміну енергією з зовнішнім світом. Цей лад характеризується виникненням те, що прийнято називати «диссипативными структурами ». (Ілля Пригожин, «Від існуючого до яка виникає «, М.: «Наука », 1983, с.104−105.).

Теперь легко зрозуміти основна відмінність наших структур від конвективных осередків. Вони виникають не було за рахунок зовнішнього підвода енергії, а й за рахунок енергії самого потоку. Великі «калачі «, піднімають до поверхні значні обсяги води, розпадаються на зв’язки «бубликів », які, своєю чергою, виникнувши — розпадаються, щоб потім цикл повторився знову. Тобто всі ці об'єкти зароджуються і тихо вмирають, але у будь-який час вони акумулюють значну кількість енергії. Таким чином, загальна енергія річкового потоку складається з кінетичної енергії поступально що просувалася маси води та обертальної енергії складних кільцевих вихорів, виникаючих і існуючих всередині рідини. У принципі так, обертальна компонента потоку завжди існує - це можна зробити легко зрозуміти, уявивши механічну модель потоку як безлічі кульок, скатывающихся по похилому жолобу. Відповідно, питання в тому, які процеси в реальному потоці рідини регулюють співвідношення і взаимопереход між кінетичної енергією поступального руху, і енергією що акумулюється в макро і микровращениях. Так чи інакше, цю концепцію двухкомпонентности загальної гідродинамічної енергії призводить до істотним выводам.

.

Фото 10.

(Снимок надано Мартьяновым А.В.).

Во-первых, спадає на думку про практичному використанні вихоровий енергії потоку. Таке пристрій емпірично створено інженерами Леневым Н.І. і Мартьяновым А. В. (Патент на винахід РФ № 2 166 664 «Двигун для утилізації енергії поточної води»). З горизонтально двигающегося потоку води вдасться витягти енергію, у своїй витягається саме обертальна компонента, оскільки поступальна скорость потока виході з турбіни виявляється ба більше, ніж вході. Лопатки турбіни борознять макроскопічні вихори і забирають частина їх енергії, оскільки цю енергію так само упорядоченна і організована, як і кінетична енергія поступального руху потоку. Цей гідродинамічний ефект не вивчений, але, судячи з усього, маємо тут з процесом переходу від великомасштабних до мелкомасштабным компонентами турбулентності, — характер таких каскадних процесів математично описаний А. Н. Колмогоровым.

Во-вторых, існування вихоровий частини вчених у загальної енергії потоку рідини змушує обдумати можливість такого ж компоненти в стаціонарному стані нерухомій води, де поступальна компонента виродилася в нерегулярне рух флуктуационных струмів. Простіше кажучи, є підстави припускати, що у звичайному склянці води міститься безліч невидимих оку микротороидальных завихрень (для образності будемо іменувати микрокольцевые тороидальные вихори аквацитами).

На погляд, таке припущення здається абсурдним: в стаціонарному стані немає надходження енергії ззовні, яке є необхідною передумовою виникнення диссипативных структур і, навіть якщо кільцеві вихори і було у питній воді - їхня енергія повинна рано чи пізно диссипировать. Проте таким міркувань можна протиставити контрдокази. Оскільки, час початку повного стаціонарному стану треба ще визначити, можливо, що досягнення повного стану рівноваги — тривалий процес й у нерухомому обсязі рідини аквациты існують який досить довго після припинення видимих наслідків перемішування. З іншого боку, коли під стаціонарним станом деякого обсягу рідини розуміється його термодинамічне рівновагу із зовнішнього середовищем, то логічно припустити, що у цьому випадку процес освіти і розпаду аквацитов може і поєднуватися з умовами теплового рівноваги, існуючи у сфері обумовленою флуктуаціями. Якщо високоенергетичні молекули створюють нерегулярні флуктуационные струми, відповідні рідкому стану, можна було припустити, що аквациты є стаціонарними квантовими утвореннями, вбирающими у собі низькоенергетичні молекули. Тут напрошується запровадження поглядів на існуванні сверхтекучей компоненти рідини в нормальних умов, але ці зробив би нашу гіпотезу надто сміливою. Швидше за все тороидальные вихори відповідають аттракторам двухзвенного маятника з подкачкой енергії, підкачування здійснюється з допомогою зовнішніх флуктуационных поштовхів, відповідного напрями, а тривалість життя аквацита залежить від цього, наскільки «вдало «вибудовується послідовність флуктуационных поштовхів. Наприклад, розподіл суспензії в стовпі рідини відбиває послідовність флуктуационных поштовхів до тієї чи іншого частки, аналогічно й у аквацитов, тільки тут замість висоти підйому — час жизни.

Сохранение моменту імпульсу — фундаментальний закон фізики. Якщо макротело обертається, та був розривається на микрочасти — кожна гілка микрочастей має обертальним моментом. Тому наявність макротороидальных вихорів серед рідини та його розпад логічно підводять до думки про існування микровихревых колец-аквацитов в стаціонарному стані спокою. Ця гіпотеза наштовхує на низку наслідків, які можна перевірені экспериментально.

1. Аквациты може бути виявлено в тонких плівках води: безпосередньо микроскопическим наглядом структури плівки, і навіть у спостереженнях особливостей процесів випаровування чи кристалізації. Наприклад, однакові краплі води, різняться концентрацією аквацитов, можуть надавати різну картину высыхания.

2. Існування аквацитов може впливом геть оптичні властивості рідини. Не виключено руйнація микровихрей з допомогою зовнішнього на обсяг рідини, можливо також зовнішнє електромагнітне впливом геть орієнтацію аквацитов, що має позначатися на оптичних властивості воды.

3. Очевидно, може бути сконструйовані технічні устрою, дозволяють відокремлювати аквациты загальної маси рідини. Наприклад, з допомогою надтонких жодних фільтрів чи при нанизуванні аквацитов на тонку молекулярну нить.

4. Можна, навпаки, підвищувати концентрацію аквацитов, створюючи штучно кільцеві вихори обсягом води. Відомо два способу продукування вихрових кілець в рідини: з допомогою циліндра з бортиком по відкритого краю і з допомогою вібратора у вигляді круглої платівки. За першого способі, обсяг води, виштовхнутий з циліндра, рухається далі як кільцевого вихору. Досліди, коли вихор створювався з допомогою вибуху капсуля в металевому циліндрі, тороидальный «водяний снаряд» вискакував над поверхнею води. При другому способі, над вібруючим колом (міліметровий зрушення вгору-вниз) створюється стовп, що з кільцевих вихорів, які распалагаются як перевернутої дитячої пірамідки. У кожному разі, після розпаду макроколец концентрація микровихрей-аквацитов у цьому обсязі води повинна повышаться.

5. Можливо, що освіта конвекційних струменів, можна побачити в нагреваемой рідини, пов’язані з освітою трубок з аквацитов, що перешкоджає диссипации енергії конвекційних струминок і зробила їх видимыми.

6. Якщо існування аквацитов сприяє испарению (швидкі молекули легше залишають поверхню рідини, вилітаючи з отвори всередині кільця микровихря), то відведення аквацитов із поверхні з допомогою зовнішнього поля повинен спричинить порушення балансу між насиченим парою й жидкостью.

Таким чином, запропоновану статтю визначає дві завдання. Це — практичне і теоретичне вивчення макротурбулентных структур, «калачів «і «бубликів «в великомасштабних потоках води, а також перевірка гіпотези про існування микрокольцевых вихрей-аквацитов в яка покоїться жидкости.

Автор розуміє, що його біофізична спеціалізація не дозволяє досить кваліфіковано висвітлити порушені питання. Підтекстом викладеного є намагання перенести галузь гідродинаміці ставлення до доменної, кластерної організації систем (див. наприклад, Іваницький Г. Р. Біофізичний підхід до аналізу криопроцессов. «Криобиология ». — 1985, N2, з. 12−18). Автор висловлює надію, що вивчення макротурбулентных тороидальных структури великомасштабних потоках буде продовжено фахівцями, а гіпотеза аквацитов допоможе по-новому придивитися до стану гідродинамічного рівноваги, де належним чином проаналізовані лише рівень молекулярного порядку й термодинамические властивості макроскопічних объемов.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.