Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Волынский Марк Семенович

Потоки, столкнувшись, расплющились, став тонким прозрачным овалом, расположенным перпендикулярно плоскости осей по биссектрисе угла соударения. Пери­ферия овала очерчивалась жгутами изогнутых струй; часть жидкости была даже оттеснена вспять, оказав­шись позади зоны встречи (задняя вершина овала); граничные струи, обогнув пелену, снова столкнулись в передней вершине овала, и опять под прямым углом; Картина соударения повторилась вторым, меньшим ова­лом уже в горизонтальной плоскости (струи теперь сталкивались в вертикальной плоскости). Так, по зако­ну цепной реакции, нанизываясь друг на друга, протя­нулась витая гирлянда жидких постепенно уменьшаю­щихся овалов—теоретический анализ показал, что это эллипсы. В такой форме явление развивалось при очень малых скоростях истечения, когда силы поверхностного натяжения жидкости сравнимы с аэродинамическими — скоростным напором v²/2.По мере

открывания крана и роста скорости жидкости число овалов уменьшается, пока не начинается распад сразу после первого овала. Конечно, жидкая пелена неустойчива и при медленном течении, и на каком-то звене возникает распыливание, но скорость роста амплитуды волн неустойчивости ока­зывается меньше скорости движения жидкости, и ей удается на время «убежать» от распада.

Мы провели опыт и со встречными струями, получив в поперечной плоскости большой жидкий «блин», рас­текшийся в тонкую пелену поперек струй. Аналогичная картина растекания (но без распада) наблюдалась при ударе струи под прямым углом . о плоскость экрана. Вдруг где-то на большом радиусе мы увидели ступень­ку кольцевого валика. Ну конечно, это наш старый зна­комый — гидравлический прыжок, он должен был воз­никнуть! Действительно, по мере радиального растека­ния пелена все утоньшалась, а, следовательно, при определенной малой толщине пелены h должно было удовлетвориться уже известное нам математическое условие прыжка

 v = gh 

И он (законы природы безот­казны) не замедлил возникнуть.

 * * *

Тем временем шло становление и развитие реактивной техники, увенчавшееся блестящими успехами космиче­ских запусков. У нас и за рубежом продолжалось ин­тенсивное исследование, рабочего процесса камер сгора­ния. «Строительные» работы велись сразу на несколь­ких этажах далеко не завершенного здания. В деловых буднях, на совещаниях и обсуждениях люди с интере­сом и некоторым удивлением наблюдали, как единое научно-техническое древо на глазах выбрасывает побе­ги отдельных проблем и направлений. Уже появились специалисты по форсункам и распыливанию — «смесеобразователи»; по организации процесса горения в потоках больших скоростей — «горелыцики». Кто-то вспомнил старую шутку о врачах — специалистах по правому и левому уху. Но жизнь, практика на самом деле требовали специализации и неизбежно разводили пути-дороги исследователей. Такое расслоение происхо­дило и в среде зарубежных ученых, с которыми посте­пенно налаживались контакты. Уровень работ наших авторов по распыливанию и горению был достаточно высок, и они все чаще публиковались и цитировались в иностранной литературе. Один из наших аспирантов по­лучил из Англии ( в те годы это было в новинку) пи­сьмо-отклик на свои новаторские статьи по турбулент­ному горению. На конверте значилось: «А. Г. Прудни­кову— эсквайру» (помимо любезного обращения, титул имел еще первоначальное, старое значение — землевла­делец, дворянин). Сейчас уважаемый доктор техниче­ских наук проживает в благоустроенной квартире и вряд ли вспоминает эпизод прошлого. А тогда наш «эсквайр» с семьей ютился в тесной комнатке (с жиль­ем было туговато), и, пожелай автор письма посетить коллегу в один из приездов на научную конференцию, возникла бы неловкость.

Параллельно с исследованием процессов рождения капли из струй начались поиски закономерностей после­дующих фаз ее краткого, но многообразного существо­вания — испарения и горения. Измерение времени жиз­ни капли требовалось для расчета камеры сгорания не только двигателей, но и промышленных топок, котель­ных установок тепловых электростанций, различных энергоблоков и т. д.

Мы интенсивно искали методику эксперимента. В технической задаче такого рода открывались два раз­личных пути. Рассматривать явление как оно есть, в условиях, близких к реальным,— факел распыливания в камере с потоком нагретого воздуха — и искать эмпи­рическую зависимость степени испарения, растущей до­ли испаренного вещества по длине. Или выделить одну-единственную каплю из всего роя и изучать механизм процесса в более простом и ясном проявлении с надеж­дой на дальнейшие обобщения. Первый путь сулил, ка­залось, реальные и сравнительно быстрые результаты — виделся несложный эксперимент: улавливать жидкость гребенкой отбора — шеренгой согнутых Г-образных тру­бочек, пользуясь осевой симметрией потока. Правда, самые мелкие капли могли облетать трубочки. Но в спектре распыливания некоторых форсунок доля таких капель была невелика, и расчеты позволяли вносить поправку. Вычисляя разницу расхода из форсунки я массы отобранной жидкости, оказалось возможным по­строить кривую роста степени испарения. Вскоре мы по­лучили целый «чемодан кривых», как говорила техник Раиса, прилежно строившая все эти

графики. Но ника­кой закономерности подметить не удавалось. Обобщение в виде эмпирической формулы не получалось — ум, как и глаз, не мог сразу охватить сложное многообразие летящих и испаряющихся капель. Мы, правда, получи­ли при этом некоторое представление о реальных интер­валах и скоростях испарения, что для начала тоже оказалось ценным.

Оставался второй путь. Одиночная неподвижная кап­ля должна была послужить простейшей моделью, на ко­торой можно было подсмотреть действие закона испаре­ния и описать его математически. Это открывало путь к возможному обобщению. Некоторые экспериментато­ры вообще начинали с «железных капель». На поверх­ность металлического шара через мелкие поры подавал­ся тонкий слой жидкости — поддерживалась неизмен­ная толщина испаряющейся пленки, что соответствова­ло стационарным условиям опыта. По расходу жидкости судили о скорости испарения.

Более близкими к реальному процессу выглядели экс­перименты с каплями диаметром два—три миллиметра, подвешенными на проволочку термопары — прибора, из­меряющего температуру жидкости. Каплю заключали в ящик — термостат с определенной температурой. Он имел окна, иногда кварцевые. В случаях высоконагре­той среды или опытов с горением капли киноаппарат фиксировал ее меняющиеся размеры. Шаровая симмет­рия явления, казалось бы, позволяла составить уравне­ние процесса, математически решить задачу и сопоста­вить результат с данными опыта. Но не тут-то было — природа вмешалась в идеальные схемы. Капля окутыва­лась направленным вертикальным языком паров или продуктов сгорания. Они всплывали в окружающей среде, поскольку отличались от нее по удельному весу — явление естественной конвекции, обусловленное подъем­ной силой Архимеда. Модель шаровой симметрии лома­лась, получался некий искусственный обдув, то, что на­зывается «нечистый опыт».

Оригинальный выход нашли хитроумные японцы, предложив метод «падающего ящика». Камера-лифт с подвешенной каплей падала по направляющим вместе с включенным киноаппаратом. В камере, согласно зако­нам механики, возникало состояние невесомости для всех тел, в том числе и для газов, окружающих каплю. Восстанавливалась шаровая симметрия и чистота опы­та. Фотографии в падающем лифте показали строго сферический фронт пламени вокруг горящей капли вместо привычного огненного языка. В наше время такой опыт мог бы с успехом проводиться на спутнике.

Уместно вспомнить, что одним из первых «взвесил» каплю известный бельгийский физик и анатом Жозеф Плато. Его опыт стал классическим и часто демонстри­руется на лекциях. В прозрачный сосуд с водным рас­твором спирта вводят каплю не смешивающегося с ним масла. Концентрацию раствора подбирают так, чтобы уравнять плотности обеих жидкостей. Тогда сила тя­жести капли будет уравновешена архимедовой силой, и капля станет невесомой. Другими словами, в игре трех воздействующих на каплю сил: веса, гидростати­ческого давления и поверхностного натяжения — две первые взаимно уничтожаются. Капля независимо от диаметра неподвижно повисает в жидкости и приобре­тает строго шарообразную форму. Это обеспечивает си­ла поверхностного натяжения, всегда стремящаяся при­дать капле минимальную поверхность при заданном объеме. Кстати, сейчас возникла целая область гидро­динамики невесомости, важная для спутников и косми­ческих аппаратов, на борту которых всегда имеются жидкости различного рода и назначения.

Рассмотрим процесс испарения, отталкиваясь от мо­дели с шаровой симметрией. Представим себе крупным планом каплю, взвешенную в неподвижном воздухе, температура которого намного превышает температуру капли. В первый момент холодная капля начинает ин­тенсивно прогреваться от окружающего воздуха. Пока не установился стационарный тепловой режим, посту­пающая энергия расходуется в основном на прогрев и в меньшей степени — на испарение. Быстро, за малые доли общего времени жизни капли, ее температура почти достигает определенного предела, называемого температурой равновесного испарения. Вообще темпера­тура испаряющейся капли жидкости никогда не может сравниться с температурой окружающей среды: капля нагреется, но не достигнет температуры среды, по­скольку с ростом температуры увеличивающийся отток пара будет тормозить подвод тепла к капле.

Динамика начального прогрева капли всегда достав­ляла много хлопот теоретикам: что происходит у нее внутри? Можно предполагать, что порция тепла не успе­вает проникнуть в глубь капли и происходит испаре­ние внешнего слоя, Вслед за первым слоем испаряется следующий, капля сбрасывает с себя оболочки жидкости, как луковица — «одежки». Или, напротив, тепло рас­пространяется почти мгновенно, равномерно прогревая каплю до самого центра, и потом лишь начинается за­метное испарение. Наблюдения над крупными каплями с добавкой окрашенных частиц показали: внутри кру­тятся интенсивные вихревые токи. Если так, ближе к истине вторая схема: вихрь — отличная мешалка, вы­равнивающая температуры по всему объему капли. Но в мелкой капле, в которую заглянуть труднее, слишком тесно для обитания вихрей; возникнув и рассеяв свою энергию на трение, они должны быстро погаснуть.