На головну

 Макротурбулентние структури у великомасштабних потоках рідини - Математика

П.В.Полуян

Відома стаціонарна ячеистая конвекція, яка встановлюється в рідини між двох площин при наявності температурного градієнта. Ці, так звані осередки Бенера, виникають при умовах, виражених критичним числом Релея RAкр, що зв'язує ряд механічних і термодинамічних параметрів. У пропонованій статті якісно розглядається аналогічне явище у великомасштабному потоці рідини - річковому течії, де спостерігається нестаціонарна ячеистая структура вертикальних конвективних рухів. Висунуто також гіпотеза про існування мікровіхревой компоненти в стані гідродинамічного рівноваги.

Рис. 2

На рис. 1 дана картина стаціонарних осередків Бенера. Якби температурне поле на нижній пластині змінювалося випадковим чином - так, щоб параметр RA, пов'язаний з різницею температур, нерегулярно коливався близько величини RAкр, спостерігалася б нестаціонарна картина, де конвективні осередки виникали і зникали б в різних місцях об'єму рідини.

На рис. 2 представлена ??фотографія поверхні річки Єнісей в районі г.Красноярска - чітко видно зони з гладкою дзеркальною поверхнею, що перемежовуються областями нерегулярних хвиль. Як показують наші спостереження, гладкі ділянки поверхні виникають внаслідок надходження з глибини конвекційних струменів, що несуть значні обсяги води. Ці обсяги потім розтікаються по поверхні, зустрічають опір оточуючих шарів і утворюють замкнену кордон, де рідина закручується, йдучи вниз.

На рис. представлені знімки крупним планом таких областей з чіткими межами. Межа області утворена кільцевими вихорами, як би нанизаними на замкнуту нитку - викривлений контур. Ця структура нагадує в'язку бубликів, тому ми пропонуємо так і іменувати її надалі. Подібні зв'язки "бубликів" виникають і існують в межах лічених хвилин, поступово зникаючи під напором навколишнього фронту хвиль. Процес виникнення "бубликів" пов'язаний з внутрішніми особливостями турбулентного потоку єнісейської води і не залежить від зовнішніх умов (так, наприклад, він швидко відновлюється після проходження по річці швидкісного судна). Механізм виникнення "бубликів" потребує вивчення і моделюванні, поки висловимо кілька міркувань, заснованих на спостереженнях.

Рис. 7, 8

Об'єм води, що надходить на поверхню в момент утворення "бубликів", досить значний і несе великий імпульс - замкнутий контур такої гірлянди охоплює площу до 10 кв. м. і виразно підноситься над середнім рівнем поверхні. У зв'язку з цим виникає питання: як рухається знизу-вгору цей обсяг - у вигляді так званої затопленого струменя або ж він спочатку має форму тороїдального вихору, такого собі "калача", що виникає в глибині, який потім доходить до поверхні і розпадається на в'язку "бубликів "? Нам видається більш правдоподібним другий варіант (cм. Рис. 7, 8), а механізм виникнення тороїдальних кільцевих вихорів бачиться у формі потужних "биття" в придонному потоці води.

Доцільно навести міркування І. Пригожина про конвективних осередках. "Конвекцію Бенера можна уявляти собі таким чином: слабкі конвективні струми, що виникають як флуктуації щодо середнього стану, існують завжди, але нижче деякого критичного градієнта температури ці флуктуації загасають і зникають. Якщо ж ми перевищуємо критичне значення градієнта температури, то деякі флуктуації посилюються і породжують макроскопическое перебіг. Виникає новий молекулярний порядок, по суті гігантська флуктуація, стабилизируемого за рахунок обміну енергією з зовнішнім світом. Цей порядок характеризується виникненням того, що прийнято називати "диссипативними структурами". (Ілля Пригожин, "Від існуючого до виникає", М .: "Наука", 1983, с.104-105.)

Тепер легко зрозуміти основна відмінність наших структур від конвективних осередків. Вони виникають не за рахунок зовнішнього підведення енергії, а за рахунок енергії самого потоку. Великі "калачі", що піднімають до поверхні значні обсяги води, розпадаються на зв'язки "бубликів", які, в свою чергу, виникнувши - розпадаються, щоб потім цикл повторився знову. Тобто ці об'єкти зароджуються і вмирають, але в будь-який момент часу вони акумулюють значну кількість енергії. Таким чином, загальна енергія річкового потоку складається з кінетичної енергії поступально рухається маси води і обертальної енергії складних кільцевих вихорів, виникаючих і існуючих всередині рідини. В принципі, обертальна компонента потоку завжди існує - це можна легко зрозуміти, уявивши механічну модель потоку у вигляді безлічі кульок, що скочуються по похилому жолобу. Відповідно, питання тільки в тому, які процеси в реальному потоці рідини регулюють співвідношення і взаимопереход між кінетичної енергією поступального руху і енергією акумулюється в макро і мікровращеніях. Так чи інакше, ця концепція двухкомпонентности загальної гідродинамічної енергії призводить до суттєвих висновків.

Фото 10.

(Знімок наданий Мартьянова А.В.)

По-перше, виникає думка про практичне використання вихровий енергії потоку. Такий пристрій емпірично створено інженерами Леньов Н.І. і Мартьянова А.В. (Патент на винахід РФ №2166664 "Двигун для утилізації енергії поточної води"). З горизонтально рухається потоку води вдається витягти енергію, при цьому витягується саме обертальна компонента, оскільки поступальна швидкість

потоку на виході з турбіни виявляється навіть більше, ніж на вході. Лопатки турбіни розсікають макроскопічні вихори і забирають частину їх енергії, оскільки ця енергія настільки ж впорядкованість і організована, як і кінетична енергія поступального руху потоку. Даний гідродинамічний ефект не вивчений, але, судячи з усього, ми маємо тут справу з процесом переходу від великомасштабних до дрібномасштабним компонентам турбулентності, - характер таких каскадних процесів математично описаний А.Н.Колмогорова.

По-друге, існування вихровий частини в загальній енергії потоку рідини змушує задуматися про можливість існування такої ж компоненти в стаціонарному стані нерухомою води, де поступальна компонента виродилася в нерегулярне рух Флуктуативно струмів. Простіше кажучи, є підстави припускати, що в звичайному склянці води міститься безліч невидимих ??оку мікротороідальних завихрень (для образності будемо називати мікрокольцевие тороїдальні вихори аквацітамі).

На перший погляд, таке припущення здається абсурдним: в стаціонарному стані немає надходження енергії ззовні, яке є необхідною умовою виникнення дисипативних структур і, навіть якщо кільцеві вихори і були у воді - їх енергія повинна рано чи пізно диссипировать. Однак таким міркувань можна протиставити контрдокази. Оскільки, час переходу до повного стаціонарного стану треба ще визначити, можливо, що досягнення повного стану рівноваги - тривалий процес і в нерухомому об'ємі рідини акваціти існують досить довго після припинення видимих ??наслідків перемішування. Крім того, якщо під стаціонарним станом деякого об'єму рідини розуміється його термодинамічна рівновага із зовнішнім середовищем, то логічно припустити, що в такому випадку процес утворення і розпаду аквацітов може і поєднуватися з умовами теплового рівноваги, існуючи в області обумовленою флуктуаціями. Якщо високоенергетичні молекули створюють нерегулярні Флуктуативно струми, відповідні рідкому стану, можна було б припустити, що акваціти є стаціонарними квантовими утвореннями, вбирає в себе низькоенергетичні молекули. Тут напрошується введення уявлень про існування сверхтекучей компоненти рідини в нормальних умовах, але це зробило б нашу гіпотезу надто сміливою. Найімовірніше тороїдальні вихори відповідають аттракторам двухзвенного маятника з підкачкою енергії, підкачка здійснюється за рахунок зовнішніх Флуктуативно поштовхів, відповідного напряму, а час життя акваціта залежить від того, наскільки "вдало" вибудовується послідовність Флуктуативно поштовхів. Наприклад, розподіл суспензії в стовпі рідини відображає послідовність Флуктуативно поштовхів для тієї чи іншої частинки, аналогічно і для аквацітов, тільки тут замість висоти підйому - час життя.

Збереження моменту імпульсу - фундаментальний закон фізики. Якщо макротела обертається, а потім розривається на мікрочасті - кожна з мікрочастей володіє обертальним моментом. Тому наявність макротороідальних вихорів в потоці рідини і їх розпад логічно підводять до думки про існування мікровіхревих кілець-аквацітов в стаціонарному стані спокою. Ця гіпотеза призводить до ряду наслідків, які можуть бути перевірені експериментально.

1. Акваціти можуть бути виявлені в тонких плівках води: безпосередньо мікроскопічним спостереженням структури плівки, а також при спостереженні особливостей процесів випаровування або кристалізації. Наприклад, однакові краплі води, що розрізняються концентрацією аквацітов, можуть давати різну картину висихання.

2. Існування аквацітов може впливати на оптичні властивості рідини. Цілком імовірно руйнування мікровіхрей за допомогою зовнішнього впливу на об'єм рідини, можливо також зовнішнє електромагнітне вплив на орієнтацію аквацітов, що повинно позначатися на оптичних властивостях води.

3. По всій видимості, можуть бути сконструйовані технічні пристрої, що дозволяють відокремлювати акваціти від загальної маси рідини. Наприклад, за допомогою надтонких фільтрів або при нанизуванні аквацітов на тонку молекулярну нитку.

4. Можна, навпаки, підвищувати концентрацію аквацітов, створюючи штучно кільцеві вихори в об'ємі води. Відомо два способи продукування вихрових кілець в рідині: за допомогою циліндра з бортиком по відкритому краю і за допомогою вібратора у формі круглої пластинки. При першому способі, обсяг води, виштовхнути з циліндра, рухається далі у вигляді кільцевого вихору. У дослідах, коли вихор створювався за допомогою вибуху капсуля в металевому циліндрі, тороидальний "водяний снаряд" вискакував над поверхнею води. При другому способі, над вібруючим кругом (міліметровий зрушення вгору-вниз) створюється стовп, що складається з кільцевих вихорів, які распалагаются у вигляді перевернутої дитячої пірамідки. У кожному разі, після розпаду макрокілець концентрація мікровіхрей-аквацітов в даному об'ємі води повинна підвищуватися.

5. Можливо, що освіта конвекційних струменів, які спостерігаються в рідини, що нагрівається, пов'язане з утворенням трубок з аквацітов, що перешкоджає диссипации енергії конвекційних цівок і робить їх видимими.

6. Якщо існування аквацітов сприяє випаровуванню (швидкі молекули легше залишають поверхню рідини, вилітаючи з отвору усередині кільця мікровіхря), то відведення аквацітов з поверхні за допомогою зовнішнього поля повинен призводити до порушення балансу між насиченою парою і рідиною.

Таким чином, пропонована стаття визначає два завдання. Це - практичне і теоретичне вивчення макротурбулентних структур, "калачів" і "бубликів" у великомасштабних потоках води, а також перевірка гіпотези про існування мікрокольцевих вихорів-аквацітов в спочиває рідини.

Автор розуміє, що його біофізична спеціалізація не дозволяє досить кваліфіковано висвітлити порушені питання. Підтекстом викладеного є спроба перенести на область гідродинаміки уявлення про доменної, кластерної організації систем (див. Наприклад, Іваницький Г.Р. Біофізичний підхід до аналізу кріопроцессов. "Кріобіологія". - 1985, N2, с. 12-18). Автор висловлює надію, що вивчення макротурбулентних тороїдальних структур у великомасштабних потоках буде продовжено фахівцями, а гіпотеза аквацітов допоможе по-новому поглянути на стан гідродинамічного рівноваги, де належним чином проаналізовані тільки рівень молекулярного порядку і термодинамічні властивості макроскопічних обсягів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.xaoc.ru/

© 8ref.com - українські реферати
8ref.com