Ю.С. Потапов, Л.П. Фоминский, С.Ю. Потапов - " Энергия вращения"   

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Глава шестая
ВИХРЕВОЕ ДВИЖЕНИЕ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

 


6.1. Загадки атмосферных вихрей

С вихревым движением газов и жидкостей мы имеем дело повсеместно. Самые большие вихри на Земле - это атмосферные циклоны, которые наряду с антициклонами - зонами повышенного давления земной атмосферы, не захваченными вихревым движением, определяют погоду на планете. Диаметр циклонов достигает тысяч километров. Воздух в циклоне совершает сложное трехмерное спиралеобразное движение. В Северном полушарии циклоны, как и вода, вытекающая из ванны в трубу, вращаются против часовой стрелки (при взгляде на них сверху), в Южном - по часовой, что обусловлено действием кориолисовых сил от вращения Земли.
В центре циклона давление воздуха много ниже, чем на его периферии, что объясняют действием центробежных сил при вращении циклона.
Зарождаясь в средних широтах в местах искривления атмосферных фронтов, среднеширотный циклон постепенно формируется во всё более устойчивое и мощное образование во время своего продвижения в основном на север, куда он переносит теплый воздух с юга. Зарождающийся циклон поначалу захватывает лишь нижние, приземные слои воздуха, которые хорошо прогреты. Вихрь растет снизу вверх. При дальнейшем развитии циклона приток воздуха в него происходит по-прежнему у поверхности земли. Поднимаясь в центральной части циклона вверх, этот теплый воздух выходит из сформировавшегося циклона на высоте 6-8 км. Содержащиеся в нем водяные пары на такой высоте, где царит холод, конденсируются, что ведет к образованию облаков и выпадению осадков.
Такая картина развития циклона, признанная на сегодняшний день метеорологами всего мира, удачно смоделирована в установках "метеотрон", созданных в 70-е годы в СССР для вызывания дождя и успешно испытанных в Армении. Турбореактивные двигатели, установленные на земле, создавали закрученный поток горячего воздуха, поднимающийся кверху. Через некоторое время над этим местом зарождалось облачко, постепенно разрастающееся в тучу, которая проливалась дождем [25].
Существенно иначе, чем медлительные циклоны средних широт, ведут себя тропические циклоны, которые в Тихом океане называют тайфунами, а в Атлантическом - ураганами. Они имеют гораздо меньшие, чем среднеширотные, диаметры (100-300 км), но отличаются большими градиентами давления, очень сильными ветрами (до 50 и даже 100 м/с) и ливневыми дождями.
Зарождаются тропические циклоны только над океаном, чаще всего между 5 и 25° северной широты. Ближе к экватору, где отклоняющие силы Кориолиса малы, они не рождаются, что доказывает роль кориолисовых сил в рождении циклонов.
Продвигаясь сначала на запад, а затем на север или северо-восток, тропические циклоны постепенно превращаются в обычные, но очень глубокие циклоны. Попадая же с океана на сушу, они над ней быстро затухают. Так что в их жизни огромную роль играет влага океана, которая, конденсируясь в восходящем вихревом потоке воздуха, выделяет огромное количество скрытой теплоты испарения. Последняя нагревает воздух и усиливает его восхождение, что ведет к сильному падению атмосферного давления при приближении тайфуна или урагана.


Рис. 6.1. Гигантский атмосферный вихрь-тайфун (вид из космоса)

Эти гигантские бушующие вихри имеют две загадочные особенности. Первая -они редко появляются в Южном полушарии. Вторая - наличие в центре такого образования "глаза бури" - зоны диаметром 15-30 км, для которой характерны штиль и ясное небо.
Разглядеть, что тайфун, а тем более среднеширотный циклон - это вихрь, из-за их огромных диаметров можно только с космической высоты. Эффектны фотографии закрученных цепочек облаков, сделанные космонавтами. А вот для наземного наблюдателя самым наглядным для обозрения видом атмосферного вихря является смерч. Диаметр его столба вращения, тянущегося к облакам, в наиболее тонком его месте составляет над сушей 300-1000 м, а над морем - всего десятки метров. В Северной Америке, где смерчи появляются гораздо чаще, чем в Европе (до 200 в год), их называют торнадо. Там они зарождаются в основном над морем, а беснуются, оказавшись над сушей.
В [75] приведена следующая картина рождения смерча: "30 мая 1979 г. в 4 часа дня на севере Канзаса встретились два облака, черных и плотных. Через 15 минут после того, как они столкнулись и слились в одну тучу, из ее нижней поверхности выросла воронка. Быстро удлиняясь, она приняла форму огромного хобота, достигла земли и в течение трех часов, словно исполинский змей, куролесила по штату, громя и уничтожая все, что попадалось на пути - дома, фермы, школы..."
Железобетонный 75-метровый мост этот смерч сорвал с каменных быков, завязал в узел и сбросил в реку. Специалисты позже подсчитали, что для совершения такого поток воздуха должен был иметь сверхзвуковую скорость.
То, что проделывает воздух в смерчах при таких его скоростях, приводит людей в замешательство. Так, щепки, разгоняемые в смерче, легко пронизывают доски и стволы деревьев. В [76] рассказывается, что металлический котелок, захваченный смерчем, был вывернут наизнанку без разрывов металла. Такие фокусы объясняют тем, что деформация металла в данном случае осуществлялась без жесткой опоры, способной повредить металл, ибо предмет витал в воздухе.


Рис. 6.2. Фотография смерча [77].

Смерчи - отнюдь не редкое явление природы, хотя и появляются только в Северном полушарии, поэтому наблюдательных данных о них накоплено немало. Полость воронки ("хобота") смерча окружают "стенки" из бешено вращающегося по спирали против часовой стрелки (как и в тайфуне) воздуха (см. рис. 6.3.) Здесь скорость воздуха достигает 200-300 м/с. Поскольку при возрастании скорости газа статическое давление в нем уменьшается, "стенки" смерча засасывают прогретый у поверхности земли воздух, а вместе с ним и попадающиеся предметы, как пылесос.
Все эти предметы поднимаются вверх, иногда вплоть до облака, в которое упирается смерч.

Подъемная сила смерчей весьма велика. Так, они переносят на значительные расстояния не только мелкие предметы, но иногда и домашний скот, и людей. 18 августа 1959 г. в Минской бласти смерч поднял лошадь на значительную высоту и унес. Труп животного нашли лишь в полутора километрах. В 1920 г. в штате Канзас торнадо, разрушив школу, поднял в воздух учительницу с целым классом школьников вместе с партами. Через несколько минут все они были опущены на землю вместе с обломками школы. Большинство детей и учительница остались живы и невредимы, но 13 человек погибло.
Известно много случаев, когда смерчи поднимают и переносят на значительные расстояния людей, после чего те остаются невредимыми. Самый парадоксальный из них описан в [75]: смерч в Мытищах под Москвой налетел на семью крестьянки Селезневой. Повалив женщину, старшего сына и грудного ребенка в канаву, унес среднего сына Петю. Его нашли лишь на следующий день в московском парке Сокольники. Мальчик был жив - здоров, но насмерть перепуган. Самое странное тут то, что Сокольники расположены от Мытищ не в той стороне, куда двигался смерч, а в противоположной. Получается, что мальчика перенесло не по ходу смерча, а в противоположную сторону, где все давно затихло! Или он перемещался вспять во времени?
Казалось бы, что предметы в смерче должен переносить сильнейший ветер. Но вот 23 авп/ста 1953 г. во время смерча в Ростове, рассказывается в [75], сильный порыв ветра распахнул окна и двери в доме. При этом будильник, стоявший на комоде, пролетел три двери, кухню, коридор и взлетел на чердак дома. Какие силы двигали его? Ведь здание осталось невредимым, а ветер, способный так нести будильник, должен был напрочь снести здание, имеющее гораздо большую парусность, чем будильник.
И почему смерчи, поднимая кучно лежавшие мелкие предметы аж до облаков, опускают их на значительном расстоянии почти столь же кучно, не разбрасывая, а словно высыпая из рукава?
Неразрывная связь с материнским грозовым облаком является характерным отличием смерча от других вихревых движений атмосферы. То ли потому, что из грозового облака по "хоботу" смерча текут к земле огромные электрические токи, то ли потому, что пыль и капли воды в вихре смерча сильно электризуются от трения, но смерчи сопровождаются высоким уровнем электрической активности. Полость "хобота" от стенки до стенки то и дело пронизывают электрические разряды. Часто она даже светится [25].
А вот внутри полости "хобота" смерча вихревое движение воздуха ослаблено и чаще направлено не снизу вверх, а сверху вниз*(* Впрочем, в [77] утверждается, что в полости "хобота" смерча воздух движется снизу вверх, а в его стенках - сверху вниз.). Известны случаи, когда такой нисходящий внутри смерча поток становился настолько сильным, что вдавливал предметы в почву [78] (см. рис. 6.3.). Отсутствие во внутренней полости смерча интенсивного вращения делает его схожим в этом отношении с тайфуном. Да и "глаз бури" в смерче имеется до того, как он дотянется из облака до земли. Вот как поэтично описывает его Ю. Маслов [75]: "В грозовом облаке вдруг появляется "глаз", именно "глаз", с мертвым, безжизненным зрачком. Ощущение такое, что он всматривается в добычу. Заметил ее! В тот же момент, полыхнув огнем, он с ревом и скоростью курьерского поезда устремляется к земле, оставляя за собой длинный, хорошо видимый шлейф - хвост".
Специалистов давно интересует вопрос об источниках той поистине неиссякаемой энергии, которой располагают смерчи, а тем более тайфуны. Понятно, что в энергию движения воздуха в атмосферном вихре превращается в конечном счете тепловая энергия огромных масс влажного воздуха. Но что заставляет ее концентрироваться в столь малых объемах, как тело смерча? И не противоречит ли такое самопроизвольное концентрирование энергии второму началу термодинамики, утверждающему, что тепловая энергия самопроизвольно способна только рассеиваться?
Гипотез на этот счет немало, а однозначных ответов до сих пор нет.
Исследуя энергетику газовых вихрей, В. А. Ацюковский в [79] пишет, что "тело газового вихря сжимается окружающей средой в процессе формирования вихря". Подтверждением тому служит тот факт, что "хобот" смерча является более тонким, чем его основание, где трение о землю не позволяет развить большую скорость вращения. Сжатие тела вихря давлением окружающей среды вызывает увеличение скорости его вращения в результате действия закона сохранения момента количества движения. А с увеличением скорости движения газа в вихре статическое давление в нем еще более падает. Из этого следует, заключает Ацюковский, что вихрь концентрирует в себе энергию окружающей среды, и этим данный процесс кардинально отличается от других, сопровождающихся рассеиванием энергии в окружающую среду.
Вот тут-то теория движения могла бы спасти второе начало термодинамики, если бы удалось обнаружить, что газовые вихри излучают энергию и в существенных количествах. В силу сказанного в разделе 4.4, теория движения требует, чтобы при ускорении вращения воздуха в смерче или тайфуне они излучали энергии не меньше, чем потребляется ими на раскручивание воздуха. А через смерч, а тем более тайфун, за время его существования проходят, закручиваясь, огромные массы воздуха.
Казалось бы, что влажному воздуху легче легкого выбрасывать "лишнюю" массу-энергию и не излучая. В самом деле, после конденсации влаги при подъеме ее атмосферным вихрем на большую высоту капли выпадающего дождя покидают вихрь, и его масса из-за этого уменьшается. Но тепловая энергия вихря от этого не только не уменьшается, а наоборот, возрастает из-за выделения при конденсации воды скрытой теплоты испарения. Это ведет к увеличению скорости движения в вихре как за счет возрастания скорости восхождения воздуха, так и за счет увеличения скорости вращения при сжатии тела вихря. Кроме того, удаление из вихря массы капель воды не ведет к увеличению энергии связи вращающейся системы и к возрастанию дефекта массы в остающемся вихре. Энергия связи системы возрастала бы (а вместе с ней возрастала бы стабильность системы), если бы при ускорении вращения системы из нее удалялась часть внутренней энергии системы - теплоты. А теплоту легче всего удалять излучением.
Никому, по-видимому, и в голову не приходило попытаться регистрировать тепэвое (инфракрасное и микроволновое) излучение смерчей и тайфунов. Может, оно существует, да только мы этого пока не знаем. Впрочем, многие люди и животные ощущают приближение урагана даже находясь в закрытом помещении и не глядя на небо. И думается, что не только по падению атмосферного давления, заставляющему ворон каркать от боли в костях, имеющих пустоты. Люди ощущают еще что-то, одних пугающее, других возбуждающее. Может, это торсионное излучение, которое от смерча и тайфуна должно быть весьма интенсивным?
Было бы интересно попросить космонавтов сделать с космической высоты фотографии тайфунов в инфракрасном излучении. Думается, что такие фотографии могли бы рассказать нам много нового.
Впрочем, подобные фотографии самого большого циклона в атмосферах планет Солнечной системы, правда, не в инфракрасных лучах, давно сделаны с космической высоты. Это фотографии Большого Красного Пятна Юпитера, являющегося, как выявили исследования его фотографий, сделанных в 1979 г. с борта американского осмического аппарата "Вояджер-1", огромным, постоянно существующим циклоном в мощной атмосфере Юпитера (рис. 6. 4). "Глаз бури" этого циклопического циклона-тайфуна размерами 40x13 тысяч км светится даже в диапазоне видимого света зловещим красным цветом, от чего и произошло его название.


Рис. 6.4. Большое красное пятно (КП) Юпитера и окрестности пятна ("Вояджер-1 ", 1979).

6.2. Вихревой эффект Ранке

Исследуя циклические сепараторы для очистки газа от пыли, французский инженер-металлург Ж. Ранке в конце 20-х годов XX века обнаружил необычное явление: в центре струи газ, выходящий из циклона, имел более низкую температуру, чем исходный. Уже в конце 1931 г. Ранке получает первый патент на устройство, названное им "вихревой трубой" (ВТ), в котором осуществляется разделение потока сжатого воздуха на два потока - холодный и горячий. Вскоре патентует это изобретение и в других странах [80].
В1933 г. Ранке делает доклад во Французском физическом обществе об открытом им явлении разделения сжатого газа в ВТ [81]. Но научной общественностью его сообщение было встречено с недоверием, так как никто не мог объяснить физику этого процесса. Ведь ученые еще совсем незадолго до того поняли неосуществимость фантастической идеи "демона Максвелла", который для разделения теплого газа на горячий и холодный должен был выпускать через микроотверстие из сосуда с газом быстрые молекулы газа и не выпускать медленные. Все решили, что это противоречит второму началу термодинамики и закону возрастания энтропии.


Рис. 6.5. Вихревая труба Ранке.

Более 20 лет открытие Ранке игнорировалось. И лишь в 1946 г. немецкий физик Р. Хильш опубликовал работу об экспериментальных исследованиях ВТ, в которой дал рекомендации для конструирования таких устройств. С тех пор их иногда называют трубами Ранке - Хильша.
Но еще в 1937 г. советский ученый К. Страхович, рассказывается в [82], не зная об опытах Ранке, в курсе лекций по прикладной газодинамике теоретически доказывал, что во вращающихся потоках газа должны возникать разности температур. Однако только после второй мировой войны в СССР, как и во многих других странах, началось широкое применение вихревого эффекта. Необходимо отметить, что советские исследователи в этом направлении к началу 70-х годов заняли мировое лидерство. Обзор некоторых советских работ по ВТ дан, например, в книге [82], из которой мы позаимствовали как вышесказанное в данном разделе, так и многое из изложенного ниже в нем.
В вихревой трубе Ранке, схема которой приведена на рис. 6.5, цилиндрическая труба 1присоединена одним концом к улитке 2, которая заканчивается сопловым вводом прямоугольного сечения, обеспечивающим подачу сжатого рабочего газа в трубу по касательной к окружности ее внутренней поверхности. С другого торца улитка закрыта диафрагмой 3 с отверстием в центре, диаметр которого существенно меньше внутреннего диаметра трубы 1. Через это отверстие из трубы 1 выходит холодный поток газа, разделяющегося при его вихревом движении в трубе 1 на холодную (центральную) и горячую (периферийную) части. Горячая часть потока, прилегающая к внутренней поверхности трубы 1, вращаясь, движется к дальнему концу трубы 1 и выходит из нее через кольцевой зазор между ее краем и регулировочным конусом 4.
В [82] объясняется, что всякий движущийся поток газа (или жидкости) имеет, как звестно, две температуры: термодинамическую (называемую еще статической) Т, определяемую энергией теплового движения молекул газа (эту температуру измерял бы термометр, движущийся вместе с потоком газа с той же скоростью V, что и поток) и температуру торможения Т0, которую измеряет неподвижный термометр, помещенный на пути потока. Эти температуры связаны соотношением

(6.1)

в котором С - удельная теплоемкость газа. Второе слагаемое в (6.1) описывает возрастание температуры вследствие торможения потока газа на термометре. Если торможение осуществляется не только в точке измерения, а и по всему сечению потока, то весь газ нагревается до температуры торможения Т0. При этом кинетическая энергия потока превращается в тепло.
Преобразуя формулу (6.1), получают выражение

(6.2)

которое говорит о том, что при увеличении скорости потока V в адиабатических условиях термодинамическая температура уменьшается.
Отметим, что последнее выражение применимо не только к потоку газа, но и к потоку жидкости. В нем с увеличением скорости V потока в адиабатических условиях термодинамическая температура жидкости тоже должна уменьшаться. Именно на это уменьшение температуры потока воды, ускоряемого в сужающемся водоводе к турбине, указывал, как мы отмечали в разделе 3.4, Л. Гербранд, предлагая преобразовывать тепло воды рек в кинетическую энергию потока, подаваемого к турбине гидроэлектростанций.
Действительно, еще раз переписав выражение (6.1) в виде

(6.3)

получим для прироста кинетической энергии потока воды формулу

(6.4)

(Здесь m - масса воды, прошедшей через водовод).
Но вернемся к вихревой трубе. Разгоняясь в ее входной улитке до большой скорости, газ на входе в цилиндрическую трубу 1 имеет максимальную тангенциальную скорость VR наименьшую термодинамическую температуру. Далее он движется в трубе 1 по цилиндрической спирали к дальнему выходу, частично закрытому конусом 4. Если этот конус удалить, то весь поток газа будет беспрепятственно выходить через дальний (горячий) конец трубы 1. Более того, ВТ будет засасывать через отверстие в диафрагме 3 и часть наружного воздуха. (На этом принципе основана работа вихревых эжекторов, имеющих меньшие габариты, чем прямоточные.)
Но регулируя зазор между конусом 4 и краем трубы 1, добиваются повышения давления в трубе до такой величины, при которой засасывание внешнего воздуха прекращается и часть газа из трубы 1 начинает выходить через отверстие в диафрагме 3. При этом в трубе 1 появляется центральный (приосевой) вихревой поток, движущийся навстречу основному (периферийному), но вращающийся, как утверждается в [82], в ту же сторону.
Во всем комплексе процессов, происходящих в ВТ, выделяют два основных, определяющих, по мнению большинства исследователей, перераспределение энергии между периферийным и центральным вихревыми потоками газа в ней.
Первый из основных процессов - это перестройка поля тангенциальных скоростей вращающихся потоков по мере продвижения их вдоль трубы. Быстро вращающийся периферийный поток постепенно передает свое вращение центральному потоку, движущемуся навстречу. В результате, когда частицы газа центрального потока подходят к диафрагме 3, вращение обоих потоков направлено в одну и ту же сторону, и происходит так, словно вокруг своей оси вращается твердый цилиндр, а не газ. Такой вихрь называют "квазитвердым". Это название определяется тем, что частицы вращающегося твердого цилиндра в своем движении вокруг оси цилиндра имеют такую же зависимость тангенциальной скорости от расстояния до оси: Vr. =. ?r.
Второй основной процесс в ВТ - это выравнивание термодинамических температур периферийного и центрального потоков в каждом сечении ВТ, вызываемое турбулентным энергообменом между потоками. Без этого выравнивания внутренний поток, имеющий меньшие тангенциальные скорости, чем периферийный, имел бы большую термодинамическую температуру, чем периферийный. Поскольку тангенциальные скорости у периферийного потока больше, чем у центрального, то после выравнивания термодинамических температур температура торможения периферийного потока, перемещающегося к выходу трубы 1, полуприкрытому конусом 4, оказывается большей, чем у центрального потока, перемещающегося к отверстию в диафрагме 3.
Одновременное действие двух описанных основных процессов и приводит, по мнению большинства исследователей, к перекачке энергии от центрального потока газа в ВТ к периферийному и к разделению газа на холодный и горячий потоки.
Такое представление о работе ВТ до настоящего времени остается признанным большинством специалистов. Да и конструкция ВТ со времен Ранке почти не изменилась, хотя области применения ВТ с тех пор все более расширяются. Было обнаружено, что ВТ, у которых вместо цилиндрической используется коническая (с малым углом конусности) труба, показывают несколько лучшую эффективность в работе. Но они сложнее в изготовлении. Чаще всего ВТ, работающие на газах, применяют для получения холода, но иногда, например при работе в вихревых термостатах, используют как холодный, так и горячий ее потоки [82].
Хотя вихревая труба имеет КПД гораздо меньший, чем промышленные холодильники других типов, что обусловлено большими затратами энергии на сжатие газа перед подачей его в ВТ, предельная простота конструкции и неприхотливость ВТ делают ее незаменимой для многих применений.
ВТ могут работать с любыми газообразными рабочими телами (например, с водяным паром) и при самых разных перепадах давлений (от долей атмосферы до сотен атмосфер). Весьма широк и диапазон расходов газа в ВТ (от долей м3/час до сотен тысяч м3/час), а значит и диапазон их мощностей. При этом с увеличением
Диаметра ВТ (то есть с увеличением ее мощности) повышается и эффективность ВТ.
Когда ВТ используют для получения холодного и горячего потоков газа одновременно, трубу делают неохлаждаемой. Такие ВТ называют адиабатными. А вот при использовании только холодного потока выгоднее применять, ВТ, в которых корпус трубы или его дальний (горячий) конец охлаждается водяной рубашкой или другим методом принудительно. Охлаждение позволяет увеличить холодопроизводительность ВТ.

6.3. Парадоксы вихревой трубы

Вихревая труба, ставшая тем "демоном Максвелла", который (осуществляет отделение быстрых молекул газа от медленных, недаром долго не получала признания после изобретения ее Ж. Ранке. Вообще всякие процессы и устройства, если они не получают теоретического обоснования и научного объяснения, в наш просвещенный" век почти наверняка оказываются обреченными на неприятие. Это если хотите, оборотная сторона просвещения: все, что не находит сиюминутного объяснения, не имеет права на существование! А в трубе Ранке даже после появления вышеизложенного объяснения ее работы многое оставалось и остается неясным. К сожалению, авторы книг и учебников редко отмечают неясности тех или иных вопросов, а наоборот, чаще стремятся обойти и завуалировать их, чтобы создать видимость всесилия науки. Не исключение в этом отношении и книга [82].
Так, на ее стр. 25 при объяснении процесса перераспределения! энергии в ВТ путем перестройки поля скоростей вращающихся потоков газа и возникновения "квазитвердого" вихря можно заметить некоторую путаницу. Например), читаем: "При движении центрального потока к... он испытывает все более интенсивную закрутку со стороны внешнего потока. В этом процессе, когда внешние слои закручивают внутренние, в результате... тангенциальные скорости внутреннего потоке уменьшаются, а внешнего - растут". Нелогичность этой фразы навощит на мысль, не пытаются ли авторы книги тут скрыть нечто такое, что не находит объяснения, создать видимость логики там, где ее нет?
Попытки создания теории ВТ путем построения и решения системы газодинамических уравнений, описывающих процессы в ВТ, приводили многих авторов к непреодолимым математическим трудностям. А тем временем исследования вихревого эффекта экспериментаторами выявляли в нем все новые особенности, обоснование которых оказывалось невозможным ни по одной из принятых гипотез.
В 70-е годы развитие криогенной техники стимулировало поиски новых возможностей вихревого эффекта, поскольку другие существующие методы охлаждения - дросселирование, эжектирование и детандирование газов -- не обеспечивали решение встававших практических задач по охлаждению в больших объемах и сжижению газов с низкой температурой конденсации. Поэтому еще более интенсивно продолжалось исследование работы вихревых охладителей.
Интереснейших результатов в этом направлении достиг ленинградцев В. Е. Финько. В его вихревом охладителе [83] с ВТ, имеющей угол конусности до 14°, было достигнуто охлаждение воздуха до 30°К. Отмечено значительное возрастание эффекта охлаждения при увеличении давления газа на входе до 4 МПа и выше, что [противоречило общепринятой точке зрения о том, что при давлении более 1 МПа эффективность ВТ практически не увеличивается с ростом давления.
Эта и другие особенности, обнаруженные при испытаниях вихревого охладителя с дозвуковыми скоростями входного потока, не согласующиеся с существовавшими представлениями о вихревом эффекте и принятой в литературе методикой расчета охлаждения газов с его помощью, побудили В. Е. Финько осуществить в [84] анализ этих расхождений.
Им было подмечено, что температуры торможения не только холодного (Гох), но и "горячего" (Гог) выходящих потоков газа оказались существенно ниже температуры Т газа, подаваемого в его ВТ. Это означало, что энергетический баланс в его ВТ не соответствует известному уравнению баланса Хильша для адиабатных ВТ.

(6.5)

где I - удельная энтальпия рабочего газа,

В имевшейся литературе Финько не обнаружил работ, посвященных проверке соотношения (6.5). В опубликованных работах, как правило, доля холодного потока JLI определялась расчетно с помощью формулы

(6.6)

по результатам замеров температур Товх Гог Гох. Последнюю формулу получают из (6.5) при использовании условий:
В.Е.Финько создает стенд, описанный в [84], на котором наряду с измерением температур торможения потоков осуществлялись измерения расходов газа Овх, Ох, Ог. В результате было твердо установлено, что выражение (6.5) неприемлемо для расчета энергетического баланса ВТ, поскольку различие удельных энтальпий входящего и выходящих потоков в экспериментах составляло 9-24% и возрастало с увеличением входного давления или с понижением температуры входящего газа. Финько отмечает, что некоторое несоответствие соотношения (6.5) результатам испытаний наблюдалось и ранее в работах других исследователей, например в [85, 86], где величина несходимости составляла 10-12%, но объяснялась авторами этих работ неточностью замера расходов.
Далее В. Е. Финько отмечает, что ни один из ранее предлагавшихся механизмов теплообмена в ВТ, в том числе и механизм противоточного турбулентного теплообмена, не объясняет те высокие скорости теплоотвода из газа, которые приводят к зарегистрированным им значительным перепадам температур (~70°К и более) в его вихревом охладителе. Он предлагает свое объяснение охлаждения газа в ВТ "работой вихревого расширения газа", осуществляемой внутри трубы над ранее поступившими туда порциями газа, а также над внешней атмосферой, куда выходит газ.
Тут мы должны отметить, что в общем случае энергетический баланс ВТ имеет вид [82]:

(6.7)

где Wохл - количество тепла, отводимого в единицу времени от корпуса ВТ за счет его естественного или искусственного охлаждения. При расчетах адиабатных труб последним слагаемым в (6.7) пренебрегают ввиду его малости, так как ВТ имеют обычно небольшие размеры и теплообмен их с окружающим воздухом посредством конвекции незначителен по сравнению с теплообменом между потоками газа внутри ВТ. А при работе искусственно охлаждаемых ВТ последнее слагаемое в (6.7) обеспечивает увеличение доли холодного потока газа, выходящего из ВТ. В вихревом охладителе Финько искусственное охлаждение отсутствовало, а естественный конвекционный теплообмен с окружающим атмосферным воздухом был незначительным.
Следующий эксперимент Финько, описанный в [84], казалось бы, не имел прямого отношения к вопросам теплообмена в ВТ. Но именно он заставляет наиболее сильно усомниться не только в правильности существовавших до того представлений о механизме теплообмена между потоками газа в ВТ, но и вообще в правильности всей общепризнанной картины работы ВТ. Финько вводит по оси своей ВТ тонкий стержень, другой конец которого закреплен в подшипнике. При работе ВТ стержень начинает вращаться со скоростью до 3000 об/мин, приводимый в движение вращающимся центральным потоком газа в ВТ. Но только направление вращения стержня оказалось противоположным направлению вращения основного (периферийного) вихревого потока газа в ВТ!
Из этого эксперимента можно сделать вывод, что вращение центрального потока газа направлено противоположно вращению периферийного (основного) потока. Но это противоречит сложившемуся представлению о "квазитвердом" вращении газа в ВТ.
Вдобавок ко всему В. Е. Финько зарегистрировал на выходе холодного потока газа из своей ВТ инфракрасное излучение полосового спектра в диапазоне длин волн 5-12 мкм, интенсивность которого повышалась с повышением давления газа на входе в ВТ. Иногда же визуально наблюдалось еще и "выходящее из ядра потока излучение голубого цвета". Однако исследователь не придал излучению особого значения, отметив наличие излучения как любопытный сопутствующий эффект и даже не привел в [84] величины его интенсивностей. Это говорит о том, что Финько не связывал наличие этого излучения с механизмом теплообмена в ВТ.
Вот тут-то мы должны опять вспомнить о предлагавшемся в разделах 4.4 и 4.5 механизме сбрасывания "лишней" массы-энергии из приводимой во вращение системы тел для возникновения необходимой отрицательной энергии связи системы. Мы писали, что легче всего энергию сбрасывать электрически заряженным телам. Они при вращении могут просто излучать энергию в виде электромагнитных волн или фотонов. В потоке любого газа всегда имеется некоторое количество ионов, движение которых по окружности или дуге в вихревом потоке и должно приводить к излучению электромагнитных волн.
Правда, при технических частотах вращения вихря интенсивность излучения радиоволн движущимся ионом, рассчитанная по известной формуле для циклотронного излучения на основной частоте , оказывается чрезвычайно малой. Но циклотронное излучение - не единственный и далеко не самый главный из возможных механизмов излучения фотонов из вращающегося газа. Существует ряд других возможных механизмов, например посредством возбуждения молекул газа ионно - звуковыми колебаниями с последующим высвечиванием возбужденных молекул. Мы здесь говорим о циклотронном излучении лишь потому, что его механизм наиболее понятен инженеру - читателю данной книги. Повторим еще раз, что когда природе требуется излучить из системы движущихся тел энергию, у нее найдется тысяча способов это сделать. Тем более из такой системы, как газовый вихрь, в котором так много понятных даже при сегодняшнем развитии науки возможностей для излучения.
В. Е. Финько зарегистрировал полосовой спектр электромагнитного излучения с
длинами волн =910 мкм. Полосовой спектр характерен для теплового излучения молекул газа. Твердые же тела дают непрерывный спектр излучения [87]. Из этого можно заключить, что в опытах Финько зарегистрировано именно излучение рабочего газа, а не металлического корпуса ВТ.
На тепловое излучение вращающегося газа может расходоваться не масса покоя излучающих молекул или ионов, а тепловая энергия газа как наиболее мобильная часть его внутренней энергии. Тепловые соударения между молекулами газа не только возбуждают молекулы, но и подпитывают ионы кинетической энергией, которую те излучают уже в виде электромагнитной. И похоже, что вращение газа как-то (возможно, посредством торсионного поля) стимулирует этот процесс излучения. В результате излучения фотонов газ охлаждается до более низких температур, чем это следует из известных теорий теплообмена между центральным и периферийным вихревыми потоками в ВТ.
В работе Финько [84] не указана, к сожалению, интенсивность наблюдавшегося излучения, а потому пока ничего нельзя сказать о величине уносимой им мощности. Но им отмечался нагрев внутренней поверхности стенок ВТ не менее чем на 5°К, что могло быть обусловлено нагревом именно этим излучением.
В связи с этим напрашивается следующая гипотеза о процессе теплоотвода от центрального потока к периферийному вихревому потоку газа в ВТ. Газ как центрального, так и периферийного потоков при их вращении излучает фотоны. Казалось бы, что периферийный должен излучать интенсивнее, так как он имеет большую тангенциальную скорость. Но центральный поток находится в интенсивном осевом торсионном поле, которое стимулирует излучение фотонов возбужденными молекулами и ионами. (Это в опытах Финько доказывает наличие голубого свечения именно из "ядра" потока.) При этом газ потока охлаждается за счет ухода из него излучения, уносящего энергию, а излучение поглощается стенками трубы, которые нагреваются этим излучением. Но периферийный поток газа, контактирующий со стенками трубы, снимает это тепло и нагревается. В результате центральный вихревой поток оказывается холодным, а периферийный - нагретым.
Таким образом, корпус ВТ играет роль промежуточного тела, обеспечивающего передачу тепла от центрального вихревого потока к периферийному.
Понятно, что когда корпус ВТ делают охлаждаемым, передача тепла от него периферийному потоку газа уменьшается из - за уменьшения перепада температур между корпусом трубы и газом в ней, и холодопроизводительность ВТ повышается.
Эта гипотеза объясняет и обнаруженное Финько нарушение теплового баланса о котором мы говорили выше. Действительно, если часть излучения покидает пределы ВТ через ее выпускные отверстия (а эта часть может составлять ~10%, судя по геометрии устройства, использовавшегося Финько), то уносимая этой частью излучения энергия уже не регистрируется приборами, измеряющими температуру торможения газа у выходов трубы. Доля уходящего из трубы излучения особенно возрастает, если излучение рождается преимущественно возле отверстия диафрагмы 3 трубы (см. рис. 6.5), где скорости вращения газа максимальны.
О нагреве периферийного потока газа в ВТ надо сказать еще несколько слов. Когда В.Е. Финько установил в "горячем" конце своей ВТ "спрямитель" потока газа (решетчатый "тормоз"), "горячая" часть выходящего потока газа после "спрямителя" уже имела температуру, на 30-60°К большую, чем Товх . При этом доля холодного потока увеличивалась из-за уменьшения площади проходного сечения для отвода "горячей" части потока, а температура холодной части потока уже не была столь низка, как при работе без "спрямителя".
После установки "спрямителя" Финько отмечает очень интенсивный шум при работе его ВТ. И он объясняет нагрев газа при размещении в трубе "спрямителя" (который, как показали его оценки, не мог нагреваться столь сильно только за счет трения потока газа о "спрямитель") возникновением звуковых колебаний в газе, резонатором которых выступает труба. Этот процесс Финько назвал "механизмом волнового расширения и сжатия газа", ведущим к его нагреву.
Понятно, что торможение вращения потока газа должно было приводить к превращению части кинетической энергии потока в тепло. Но вот механизм этого превращения был выявлен лишь в работе Финько.
Изложенное показывает, что вихревая труба таит в себе еще много загадок и что бытовавшие в течение десятилетий представления о ее работе требуют коренного пересмотра.

6.4. Гипотеза противотока в вихрях

Вихревое движение содержит в себе столько неизученного, что работы хватит еще не одному поколению теоретиков и экспериментаторов. И в то же время вихревое движение является, по-видимому, самым распространенным в природе видом движения. Действительно, все те тела (планеты, звезды, электроны в атоме и др.), о которых мы в разделе 4.1 писали, что они совершают круговое движение, обычно еще и движутся поступательно. А при сложении их вращательного и поступательного движений получается движение по спирали.
Существуют два основных вида спиралей: цилиндрические винтовые, о которых мы говорили в разделе 4.3, и спираль Архимеда, радиус витков которой возрастает с числом витков. Такой вид имеют спиральные галактики - самые большие вихри в природе.
А суперпозиция вращательного движения по спирали Архимеда и поступательного движения вдоль ее оси дает еще и третий вид спирали - коническую. По такой спирали движется вода, вытекающая из ванны в трубу в ее днище, и воздух в смерче. По такой же конической спирали движется газ в технических циклонах. Там с каждым оборотом радиус траектории частиц уменьшается.


Рис. 6.6. Профиль скоростей свободных затопленных струй различной степени крутки [88]:
а - прямоточная струя; б - слабо закрученная струя; в - умеренно закрученная струя; г - сильно закрученная сомкнутая струя; д - сильно закрученная разомкнутая струя; а - стенка; b - отверстие в стенке; с- границы струи; d - профиль скорости на различных расстояниях от стенки; е - ось струи; [У- аксиальная скорость.

А вот в вихревом охладителе Финько, имеющем коническую вихревую трубу, периферийный поток газа движется по расширяющейся конической спирали, а встречный осевой поток - по сужающейся. Такую конфигурацию потоков в ВТ и техническом циклоне определяет геометрия стенок аппаратов.
При рассмотрении в разделе 6.2 вихревой трубы мы писали, что обратный осевой поток в ней возникает, когда выход газу через дальний (горячий) конец трубы частично перекрыт, и в ней создается избыточное давление, заставляющее газ искать второй выход из трубы. Такое объяснение возникновения встречного осевого потока в ВТ на сегодняшний день является общепринятым [82].
А вот специалисты по закрученным струям, широко используемым, например, для создания факелов в горелках теплоэнергетических установок, отмечают, что противоток по оси закрученной струи возникает и при отсутствии стенок аппарата. Исследование профилей скоростей свободных затопленных струй (см. рис. 6.6) показывает, что обратное осевое течение возрастает с увеличением степени крутки струи [88].
Физическая причина возникновения противотока так и не выяснена. Большинство специалистов полагают, что он появляется потому, что с увеличением степени крутки струи центробежные силы отбрасывают частицы ее газа к периферии, в результате его у оси струи создается зона разрежения, куда устремляется атмосферный воздух,
находящийся впереди по оси струи.
Но вот в работах [89, 90] показано, что обратный поток связан не столько с градиентом статического давления в струе, сколько с соотношением тангенциальной и аксиальной (осевой) составляющих ее скорости. Например, струи, сформированные завихрителем с тангенциальным лопаточным аппаратом, при угле наклона лопаток 40-45° имеют в приосевой области большое разрежение, но не имеют обратных потоков. Почему их нет - остается загадкой для специалистов.
Попробуем разгадать ее, вернее, по-другому объяснить причину появления осевых противотоков в закрученных струях.
Как мы уже неоднократно отмечали, сбрасывание из системы, приводимой во вращение, "лишней" массы-энергии легче всего осуществлять излучением фотонов. Но это не единственный из возможных каналов. Можно предложить еще следующую гипотезу, которая некоторым механикам поначалу покажется невероятной.
Путь к этой гипотезе был долог и пробивался не одним поколением физиков. Еще Виктор Шаубергер - гениальный австрийский самородок, лесник, на досуге занимавшийся физикой, много времени посвятивший в 20-е годы осмыслению вихревого движения, заметил, что при самопроизвольном раскручивании воды, вытекающей в трубу из ванны, время опорожнивания ванны уменьшается. А это значит, что в вихре возрастает не только тангенциальная, но и осевая скорость потока. Кстати, этот эффект давно подметили и любители пива. На своих соревнованиях, стремясь как можно быстрее отправить содержимое бутылки в рот, они сначала обычно сильно раскручивают пиво в бутылке, прежде чем ее запрокинуть.
Мы не знаем, любил ли Шаубергер пиво (какой австриец его не любит!), но этот парадоксальный факт он пытался объяснить тем, что в вихре в кинетическую энергию осевого движения струи превращается энергия теплового движения молекул в ней. Он указывал, что хотя такое мнение противоречит второму началу термодинамики, но другого объяснения не найти, а снижение температуры воды в водовороте -экспериментальный факт.
Исходя из законов сохранения энергии и импульса, обычно полагают, что при закручивании струи в продольный вихрь часть кинетической энергии поступательного движения струи превращается в энергию ее вращения, и думают, что в результате аксиальная скорость струи должна уменьшаться. Это, как утверждают, например, в [88], должно вести к уменьшению дальнобойности свободных затопленных струй при их закручивании.
Более того, в гидротехнике обычно всячески борются с завихрениями жидкости в устройствах для ее перелива и стремятся обеспечить безвихревое ламинарное течение. Обуславливают это тем, как рассказывается, например, в [91], что появление вихревого шнура в потоке жидкости влечет за собой образование воронки на поверхности жидкости над входом в сливную трубу. Воронка начинает энергично засасывать воздух, попадание которого в трубу нежелательно. Кроме того, ошибочно полагают, что появление воронки с воздухом, уменьшающее долю сечения входного отверстия, занятую жидкостью, уменьшает и расход жидкости через это отверстие.
Опыт любителей пива показывает, что ошибаются те, кто так думает: несмотря на уменьшение доли сечения отверстия, занятой потоком жидкости, последняя при вращении потока вытекает через отверстие быстрее, чем без вращения.
Если Л. Гербранд, о котором мы писали в разделе 3.4, стремился достичь увеличения мощности гидроэлектростанций только путем спрямления потока воды к турбине и постепенного сужения водовода, с тем чтобы вода приобрела как можно большую скорость поступательного движения, то Шаубергер снабдил сужающийся водовод еще и винтовыми направляющими, закручивающими поток воды в продольный вихрь, а в конце водовода он помещает осевую турбину принципиально новой конструкции. (Патент Австрии ?117749 от 10.05.1930 г.)
Особенностью этой турбины (см. рис. 6.7) является то, что она не имеет лопастей, которые в обычных турбинах пересекают поток воды и, разрывая его, затрачивают при этом много энергии впустую на преодоление сил поверхностного натяжения и сцепления молекул воды. Это ведет не только к потерям энергии, но и к появлению кавитационных явлений, обуславливающих эрозию металла турбины.
Турбина Шаубергера имеет коническую форму со спиралеобразованными лезвиями в виде штопора, ввинчивающегося в закрученный поток воды. Она не рвет поток и не создает кавитацию. Неизвестно, была ли такая турбина где-либо реализована на практике, но в ее схеме, безусловно, заложены очень перспективные идеи.
Однако нас интересует здесь не столько турбина Шаубергера, сколько его утверждение о том, что энергия теплового движения молекул воды в вихревом потоке может трансформироваться в кинетическую энергию потока воды. В этом отношении наиболее интересны результаты опытов, поставленных в 1952 г. В. Шаубергером вместе с профессором Францем Попелем в Техническом колледже Штутгарта, о которых рассказывает в [92] Йозеф Гассльбергер из Рима.
Исследуя влияние формы канала водовода и материала его стенок на гидродинамическое сопротивление закрученному потоку воды в нем, экспериментаторы обнаружили, что лучшие результаты достигаются при медных стенках. Но самое удивительное, что при конфигурации канала, напоминающей рог антилопы, трение в канале с увеличением скорости воды уменьшается, и после превышения некоторой критической скорости вода течет с отрицательным сопротивлением, то есть засасывается в канал и ускоряется в нем [92].


Рис. 6.7. Турбина Шауберга

Гассльбергер согласен с Шаубергером, что тут вихрь трансформирует тепло воды в кинетическую энергию ее потока. Но отмечает, что "термодинамика, как обучают в школах и университетах, не разрешает такого преобразования теплоты при низких разностях температур". Однако, указывает Гассльбергер, современная термодинамика не способна объяснить и многие другие природные явления [93].
И вот тут-то теория движения может помочь понять, почему вихревое движение обеспечивает, казалось бы, вопреки сложившимся представлениям термодинамики, превращения тепла закручиваемого потока вещества в энергию его аксиального движения в соответствии с формулой (6.4). Закручивание потока в вихре заставляет часть тепла, являющегося частью внутренней энергии системы, преобразовываться в кинетическую энергию поступательного движения потока вдоль оси вихря. Почему именно вдоль оси? Да потому, что тогда вектор скорости приобретаемого поступательного движения оказывается перпендикулярным к вектору мгновенной тангенциальной скорости вращательного движения частиц в потоке и не меняет величины последней. При этом соблюдается закон сохранения момента количества движения потока.
Кроме того, ускорение частиц в направлении, перпендикулярном к направлению их основного (кругового) движения в вихре, ведет к релятивистскому возрастанию их поперечной, а не продольной массы. О необходимости раздельного учитывания поперечной и продольной масс элементарных частиц*(Это напоминает раздельное вычисление продольного и поперечного эффекта Доплера.) много писали в начальном этапе становления СТО (см., например, [94].) А именно продольная масса (соответствующая в данном случае тангенциальной скорости движения частиц в вихре) определяет величину центробежных сил при круговом движении. При превращении части внутренней энергии системы в кинетическую энергию аксиального (осевого) движения тел в ней центробежные силы не возрастают. Поэтому энергия возникающего аксиального движения оказывается как бы ушедшей из задачи о круговом движении, что математически равнозначно уходу ее из вращающейся системы без какого-либо излучения фотонов.
Но закон сохранения импульса системы требует, чтобы в случае приобретения вихревым потоком аксиального импульса какое-то другое тело (например корпус вихревого аппарата) одновременно приобретало такой же по абсолютной величине импульс в противоположном направлении. В замкнутых вихревых аппаратах, например в вихревых трубах, а также когда контакт вихревого потока со стенками аппарата отсутствует (как в некоторых случаях свободных закрученных струй) обратный импульс вынуждена приобретать осевая часть потока, имеющая меньшую тангенциальную скорость, чем периферийная часть. Впрочем, импульс отдачи может уноситься и аксиальным (осевым) потоком фотонов или нейтрино, рождаемых при вращательном движении, о чем пойдет речь в одиннадцатой главе.
Такова в общих чертах истинная, с нашей точки зрения, причина появления противотока как в вихревых трубах, так и в закрученных струях.

Выводы к главе

1 Для атмосферных вихрей характерно преимущественно правовинтовое движение воздуха в них и наличие "глаза бури" - центральной зоны медленных движений или штиля.
2. Смерчи до сих пор имеют ряд загадок: сверхвысокие скорости воздуха и захваченных предметов в них, необыкновенная подъемная сила, превышающая силу давления потока воздуха, наличие свечений и др.
3. В энергию движения в атмосферных вихрях превращается тепловая энергия масс влажного воздуха. При этом происходит концентрация энергии, что на первый взгляд противоречит принципам термодинамики.
4. Противоречие с термодинамикой снимается, если предположить, что атмосферные вихри в соответствии с требованиями теории движения генерируют тепловое (инфракрасное и микроволновое)излучение.
5. Открытие в 30-е годы Ж. Ранке эффекта разделения газа в вихревой трубе на горячий пристеночный и холодный осевой вихревые потоки положило начало ряду новых направлений в технике, но до сих пор не имеет достаточно полного и непротиворечивого теоретического объяснения.
6. Работы В.Е. Финько в 80-е годы заставляют усомниться в правильности некоторых общепринятых представлений о процессах в вихревой трубе: энергетическом балансе в ней, механизме противоточного турбулентного теплообмена и др.
7. В.Е. Финько обнаружил, что холодный осевой противоток в вихревой трубе имеет направление вращения, противоположное направлению вращения основного (периферийного) потока газа, и что газовая вихревая труба генерирует инфракрасное излучение полосового спектра, а иногда еще и выходящее из осевой зоны излучение голубого цвета.
8. Размещение в горячем конце вихревой трубы тормоза - спрямителя потока газа приводит,
как обнаружил В.Е. Финько, к возникновению интенсивных звуковых колебаний в газе, резонатором которых является труба, и к сильному нагреву ими потока газа.
9. Предлагается механизм теплоотвода от осевого противотока газа в вихревой трубе к периферийному потоку за счет стимулированного ускорением вращения газа излучения осевым потоком фотонов, которые нагревают стенки вихревой трубы, а уже от них тепло отдается омывающему их периферийному потоку газа.
10. Осевой противоток возникает не только в вихревых трубах, но и в свободных закрученных струях, где нет стенок аппаратов, причина чего до сих пор до конца не выяснена.
11. В. Шаубергер в 30-е годы указывал, что в вихре в кинетическую энергию осевого движения струи воды трансформируется часть энергии теплового движения молекул в ней, и предлагал использовать это.
12. Теория движения объясняет эффект Шаубергера тем, что закручивание потока воды заставляет часть тепловой энергии молекул, являющейся внутренней энергией потока, не уходить из закручиваемого потока в виде излучений, а трансформироваться в кинетическую энергию движения потока в направлении, перпендикулярном тангенциальной скорости закручивания, ять вдоль оси вихревого потока. Последнего требует закон сохранения момента количества Движения потока. А закон сохранения импульса вдоль его оси вращения требует, чтобы при
этом либо появился противоток, либо родилось осевое излучение фотонов или нейтрино, компенсирующее изменение продольного импульса потока.


Содержание

Далее