Макротурбулентные структуры в крупномасштабных потоках жидкости

Макротурбулентные структуры в крупномасштабных потоках жидкости 

П.В.Полуян



Известна стационарная ячеистая конвекция, которая устанавливается в жидкости между двух плоскостей при наличии температурного градиента. Эти, так называемые ячейки Бенера, возникают при условиях, выраженных критическим числом Рэлея RAкр, связывающим ряд механических и термодинамических параметров. В предлагаемой статье качественно рассматривается аналогичное явление в крупномасштабном потоке жидкости - речном течении, где наблюдается нестационарная ячеистая структура вертикальных конвективных движений. Выдвинута также гипотеза о существовании микровихревой компоненты в состоянии гидродинамического равновесия.



Рис. 2

На рис. 1 дана картина стационарных ячеек Бенера. Если бы температурное поле на нижней пластине изменялось случайным образом - так, чтобы параметр RA, связанный с разностью температур, нерегулярно колебался около величины RAкр, наблюдалась бы нестационарная картина, где конвективные ячейки возникали и исчезали бы в разных местах объема жидкости.

На рис. 2 представлена фотография поверхности реки Енисей в районе г.Красноярска - отчетливо видны зоны с гладкой зеркальной поверхностью, перемежающиеся областями нерегулярных волн. Как показывают наши наблюдения, гладкие участки поверхности возникают вследствие поступления из глубины конвекционных струй, несущих значительные объемы воды. Эти объемы затем растекаются по поверхности, встречают сопротивление окружающих слоев и образуют замкнутую границу, где жидкость закручивается, уходя вниз. 













На рис. представлены снимки крупным планом таких областей с четкими границами. Граница области образована кольцевыми вихрями, как бы нанизанными на замкнутую нить - искривленный контур. Эта структура напоминает связку баранок, поэтому мы предлагаем так и именовать ее в дальнейшем. Подобные связки "баранок" возникают и существуют в пределах считанных минут, постепенно исчезая под напором окружающего фронта волн. Процесс возникновения "баранок" связан с внутренними особенностями турбулентного потока енисейской воды и не зависит от внешних условий (так, например, он быстро возобновляется после прохождения по реке скоростного судна). Механизм возникновения "баранок" нуждается в изучении и моделировании, пока выскажем несколько соображений, основанных на наблюдениях.

 Рис. 7, 8 

Объем воды, поступающий на поверхность в момент образования "баранок", довольно значительный и несет большой импульс - замкнутый контур такой гирлянды охватывает площадь до 10 кв. м. и явственно возвышается над средним уровнем поверхности. В связи с этим возникает вопрос: как движется снизу-вверх этот объем - в виде так называемой затопленной струи или же он изначально имеет форму тороидального вихря, некоего "калача", возникающего в глубине, который потом доходит до поверхности и распадается на связку "баранок"? Нам представляется более правдоподобным второй вариант (cм. рис. 7, 8), а механизм возникновения тороидальных кольцевых вихрей видится в форме мощных "биений" в придонном потоке воды.

Целесообразно привести рассуждения И.Пригожина о конвективных ячейках. "Конвекцию Бенера можно представлять себе следующим образом: слабые конвективные токи, возникающие как флуктуации относительно среднего состояния, существуют всегда, но ниже некоторого критического градиента температуры эти флуктуации затухают и исчезают. Если же мы превышаем критическое значение градиента температуры, то некоторые флуктуации усиливаются и порождают макроскопическое течение. Возникает новый молекулярный порядок, по существу гигантская флуктуация, стабилизируемая за счет обмена энергией с внешним миром. Этот порядок характеризуется возникновением того, что принято называть "диссипативными структурами". (Илья Пригожин, "От существующего к возникающему", М.: "Наука", 1983, с.104-105.)

Теперь легко понять основное отличие наших структур от конвективных ячеек. Они возникают не за счет внешнего подвода энергии, а за счет энергии самого потока. Большие "калачи", поднимающие к поверхности значительные объемы воды, распадаются на связки "баранок", которые, в свою очередь, возникнув - распадаются, чтобы потом цикл повторился снова. То есть эти объекты зарождаются и умирают, но в любой момент времени они аккумулируют значительное количество энергии. Таким образом, общая энергия речного потока складывается из кинетической энергии поступательно движущейся массы воды и вращательной энергии сложных кольцевых вихрей, возникающих и существующих внутри жидкости. В принципе, вращательная компонента потока всегда существует - это можно легко понять, вообразив механическую модель потока в виде множества шариков, скатывающихся по наклонному желобу. Соответственно, вопрос только в том, какие процессы в реальном потоке жидкости регулируют соотношение и взаимопереход между кинетической энергией поступательного движения и энергией аккумулируемой в макро и микровращениях. Так или иначе, эта концепция двухкомпонентности общей гидродинамической энергии приводит к существенным выводам.



Фото 10.

(Снимок предоставлен Мартьяновым А.В.)

Во-первых, возникает мысль о практическом использовании вихревой энергии потока. Такое устройство эмпирически создано инженерами Леневым Н.И. и Мартьяновым А.В. (Патент на изобретение РФ №2166664 “Двигатель для утилизации энергии текущей воды”). Из горизонтально двигающегося потока воды удается извлечь энергию, при этом извлекается именно вращательная компонента, поскольку поступательная скорость

потока на выходе из турбины оказывается даже больше, чем на входе. Лопатки турбины рассекают макроскопические вихри и забирают часть их энергии, поскольку эта энергия столь же упорядоченна и организованна, как и кинетическая энергия поступательного движения потока. Данный гидродинамический эффект не изучен, но, судя по всему, мы имеем здесь дело с процессом перехода от крупномасштабных к мелкомасштабным компонентам турбулентности, - характер таких каскадных процессов математически описан А.Н.Колмогоровым.

Во-вторых, существование вихревой части в общей энергии потока жидкости заставляет задуматься о возможности существования такой же компоненты в стационарном состоянии неподвижной воды, где поступательная компонента выродилась в нерегулярное движение флуктуационных токов. Проще говоря, есть основания предполагать, что в обычном стакане воды содержится множество невидимых глазу микротороидальных завихрений (для образности будем именовать микрокольцевые тороидальные вихри аквацитами).

На первый взгляд, такое предположение кажется абсурдным: в стационарном состоянии нет поступления энергии извне, которое является необходимым условием возникновения диссипативных структур и, даже если кольцевые вихри и были в воде - их энергия должна рано или поздно диссипировать. Однако таким соображениям можно противопоставить контрдоводы. Поскольку, время перехода к полному стационарному состоянию надо еще определить, возможно, что достижение полного состояния равновесия - длительный процесс и в неподвижном объеме жидкости аквациты существуют достаточно долго после прекращения видимых последствий перемешивания. Кроме того, если под стационарным состоянием некоторого объема жидкости понимается его термодинамическое равновесие с внешней средой, то логично предположить, что в таком случае процесс образования и распада аквацитов может и совмещаться с условиями теплового равновесия, существуя в области определяемой флуктуациями. Если высокоэнергетические молекулы создают нерегулярные флуктуационные токи, соответствующие жидкому состоянию, можно было бы предположить, что аквациты являются стационарными квантовыми образованиями, вбирающими в себя низкоэнергетические молекулы. Здесь напрашивается введение представлений о существовании сверхтекучей компоненты жидкости в нормальных условиях, но это сделало бы нашу гипотезу чересчур смелой. Вероятнее всего тороидальные вихри соответствуют аттракторам двухзвенного маятника с подкачкой энергии, подкачка осуществляется за счет внешних флуктуационных толчков, соответствующего направления, а время жизни аквацита зависит от того, насколько "удачно" выстраивается последовательность флуктуационных толчков. Например, распределение взвеси в столбе жидкости отражает последовательность флуктуационных толчков для той или иной частицы, аналогично и для аквацитов, только здесь вместо высоты подъема – время жизни.

Сохранение момента импульса - фундаментальный закон физики. Если макротело вращается, а затем разрывается на микрочасти - каждая из микрочастей обладает вращательным моментом. Поэтому наличие макротороидальных вихрей в потоке жидкости и их распад логично подводят к мысли о существовании микровихревых колец-аквацитов в стационарном состоянии покоя. Эта гипотеза приводит к ряду следствий, которые могут быть проверены экспериментально.

1. Аквациты могут быть обнаружены в тонких пленках воды: непосредственно микроскопическим наблюдением структуры пленки, а также при наблюдении особенностей процессов испарения или кристаллизации. Например, одинаковые капли воды, различающиеся концентрацией аквацитов, могут давать разную картину высыхания.

2. Существование аквацитов может оказывать влияние на оптические свойства жидкости. Вполне вероятно разрушение микровихрей с помощью внешнего воздействия на объем жидкости, возможно также внешнее электромагнитное влияние на ориентацию аквацитов, что должно сказываться на оптических свойствах воды.

3. По всей видимости, могут быть сконструированы технические устройства, позволяющие отделять аквациты от общей массы жидкости. Например, с помощью сверхтонких фильтров или при нанизывании аквацитов на тонкую молекулярную нить.

4. Можно, наоборот, повышать концентрацию аквацитов, создавая искусственно кольцевые вихри в объеме воды. Известно два способа продуцирования вихревых колец в жидкости: с помощью цилиндра с бортиком по открытому краю и с помощью вибратора в форме круглой пластинки. При первом способе, объем воды, вытолкнутый из цилиндра, движется далее в виде кольцевого вихря. В опытах, когда вихрь создавался с помощью взрыва капсюля в металлическом цилиндре, тороидальный “водяной снаряд” выскакивал над поверхностью воды. При втором способе, над вибрирующим кругом (миллиметровый сдвиг вверх-вниз) создается столб, состоящий из кольцевых вихрей, которые распалагаются в виде перевернутой детской пирамидки. В любом случае, после распада макроколец концентрация микровихрей-аквацитов в данном объеме воды должна повышаться.

5. Возможно, что образование конвекционных струй, наблюдаемых в нагреваемой жидкости, связано с образованием трубок из аквацитов, что препятствует диссипации энергии конвекционных струек и делает их видимыми.

6. Если существование аквацитов способствует испарению (быстрые молекулы легче покидают поверхность жидкости, вылетая из отверстия внутри кольца микровихря), то увод аквацитов с поверхности с помощью внешнего поля должен приводить к нарушению баланса между насыщенным паром и жидкостью.

Таким образом, предлагаемая статья определяет две задачи. Это - практическое и теоретическое изучение макротурбулентных структур, "калачей" и "баранок" в крупномасштабных потоках воды, а также проверка гипотезы о существовании микрокольцевых вихрей-аквацитов в покоящейся жидкости.

Автор понимает, что его биофизическая специализация не позволяет достаточно квалифицированно осветить затронутые вопросы. Подтекстом изложенного является попытка перенести на область гидродинамики представления о доменной, кластерной организации систем (см. например, Иваницкий Г.Р. Биофизический подход к анализу криопроцессов. "Криобиология". - 1985, N2, с. 12-18). Автор выражает надежду, что изучение макротурбулентных тороидальных структур в крупномасштабных потоках будет продолжено специалистами, а гипотеза аквацитов поможет по-новому взглянуть на состояние гидродинамического равновесия, где должным образом проанализированы только уровень молекулярного порядка и термодинамические свойства макроскопических объемов.