Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Волынский Марк Семенович

Мой коллега, не склонный к лирике, зато привычный к моему бормотанию стихов и возгласам «Идея!», реа­гировал лишь вялой гримасой.

— Гляди...— я в несколько штрихов набросал за­конченную схему всего узла фотоустановки. Забавно было наблюдать, как на скептичной физиономии моего коллеги вдруг ожили и задвигались от улыбки полуша­рия щек.

— Видишь?.. Ось вспомогательного осветителя на­клоним градусов на 45 и пересечем воздушный поток с каплями не поперечной, а косой световой плоскостью — к черту стереотип перпендикуляров и параллелей, он и сковывал нас. С косой плоскостью совместим плоскость фокусировки фотоаппарата... Свет теперь пойдет мимо фотоэлемента... И бог с ним. Опыт, конечно, ведем в затемненном помещении, при открытом фотообъективе, который пока ничего не снимает. Капля, проходя свето­вой

барьер, бросит преломленный (или отраженный) луч куда-то вкось — там и подставим объектив фотоэле­мента ... угол найдем эмпирически. Лучик будет сла­бый — ничтожной яркости, но фотоэлемент, глядящий в абсолютную темноту, ощутит контраст. Дальнейшее по­нятно: фототок включит искровой осветитель, и, когда капля попадет в плоскость наведения, она снимет сама себя в наилучшем виде.

— Да, вроде мы ее поймали,— с облегчением сказал мой коллега,— надо только учесть время запаздывания: пока сработает импульс в установке и загорится искра, капля уйдет из плоскости наводки. Учтем это, чуть сдвинув фотоплоскость назад от светового барьера.

Так сказать, подберем интервал. Скорость движения капли известна.

— Ясно: «стреляем» искровой вспышкой с упрежде­нием, как по летящей утке.

Хорошо и споро работается при свете четкой и обна­деживающей идеи. Снабженцы дрогнули под нашим соединенным натиском и раздобыли в конце концов дефицитную мелкозернистую фотопленку. В то время уровень всякого рода официальных бумаг, который грозит покрыть с головой теперешнего работника НИИ, был значительно ниже, хотя, конечно, меньше был и масштаб работ. Эскизы деталей экспериментальной установки шли прямо с наших столов к токарю и фре­зеровщику с минимумом начальственных виз. Кое-что нашли прямо на бездонной институтской свалке, богатой находками, как Клондайк.

Для проверки принципа собрали в темном закутке времянку, модель основного узла: капельница, фотоэле­мент, небольшой осветитель и осциллограф. Все действо­вало безотказно. Вскоре была смонтирована и экспери­ментальная установка. Небольшой компрессор гнал по­ток воздуха через подогреватель, поднимавший его температуру до 600—800 °С, и через длинную цилиндри­ческую камеру. В ее начальном сечении стояла капель­ница — пришлось разработать особый вариант с тепло­защитой. Вереница одинаковых капель сдувалась с тон­кой иглы капилляра специально дозированной струйкой воздуха вдоль оси потока, размер капель был заранее известен. Во втором сечении, на выходе из трубы, фото­графировалась уже «похудевшая», частично испарив­шаяся капля: она летела, почти полностью увлеченная потоком, сохраняя правильную сферическую форму.

Расстояние между сечениями можно было менять. Эксперимент оказался сложным и тонким. Мы начина­ли опыт с пристрелки каплей в зону фотографирования еще в холодном газе. Это требовало снайперской точ­ности. Медленно перемещая капельницу и ось фотоэле­мента, мы ловили в объектив преломленные каплей лу­чики света, добиваясь появления импульсов фототока на катодном осциллографе, подключенном к фотоэле­менту. Сердце радовалось, когда капли сигналили бегу­щими световыми зубцами на опаловом круге экрана: «Мы здесь, пролетаем в допустимом интервале разбро­са». Тогда открывался объектив фотоаппарата, и на снимке фиксировался начальный размер капли, по­скольку до начала подогрева испарение практически от­сутствовало. Потом включали подогреватель и устанав­ливали режим течения по температуре и скорости. Теперь начиналась трехкратная серия фотографий ис­паряющейся капли. Резким бичом щелкал электрораз­ряд осветителя, отзываясь в сознании непроизвольно родившимся рефреном: «Три капли, три капли, три капли!»

Но если тайну трех карт бедному Германну суждено было узнать лишь после смерти графини, то тайна трех капель оказалась сразу в наших руках: снимки получи­лись отличные. Капли фотографировали себя сами!

В конце опыта мы провели контрольную съемку сно­ва в холодном потоке, чтобы убедиться: капельница не сбилась и выдает те же капли. Нас охватил азарт, мы часами и днями не отходили от стенда, забегая лишь в фотолабораторию. Иногда вся серия фотографий лете­ла в корзину: обнаруживалось, что из-за каких-то по­мех сбивалась капельница. Часто, особенно в дождли­вые дни, установка срабатывала от посторонних капель влаги, которые содержались в воздухе и

непрошенно совались в кадр.

Наконец изнурительные эксперименты завершились. Сопоставляя диаметры холодной и испаренной капли с учетом возможных ошибок опыта, мы нашли вожде­ленные закономерности испарения капель различных размеров при разных скоростях полета.

Результаты опытов были хорошо приняты на науч­ной конференции и Опубликованы. Они, в общем, под­твердили ранее предложенную теорию и дали инжене­рам и конструкторам надежный инструмент расчета. Мы получили авторское свидетельство на изобретение, а мой сотоварищ, кроме того,— материал, украсивший одну из глав его диссертации.

 * * *

Переходя от одиночной капли к их рою в факеле, нарисуем общую картину событий, развивающихся на «холодном» участке прямоточной воздушной камеры сгорания. Там обитают жидкие частицы и протекают процессы смесеобразования. Увеличим все в простран­стве и замедлим во времени. Сядем на каплю, подобно доблестному барону Мюнхгаузену, оседлавшему пушеч­ное ядро,— нам не привыкать к мысленным эксперимен­там — и пропутешествуем вдоль камеры, наблюдая за происходящим. Наш полет начнется вместе с плотным облаком капель, которое вырвется под давлением 50— 60 атмосфер из небольшого (один—два миллиметра) сопла форсунки, обгоняя поток окружающего воздуха. Мир капель возникнет внезапно и стремительно, на­поминая в миниатюре Вселенную, разлетающуюся в грандиозном взрыве первовещества (см. рис. 3), заключенного, по образному выражению академика Я. Б. Зель­довича, в «ореховую скорлупу». Примерно так пред­ставляют себе начало мира современные астрофизики.

Двигаясь с каплей, мы увидим, как в хаосе факела распыливания воздушный поток начинает наводить по­рядок, командуя: «Каплям перестроиться по росту». От оси факела форсунки во все стороны начнет расходить­ся «метелка» траекторий — по каждой пойдут частицы своего размера. Под нами летят, постепенно отставая, капли меньших размеров (в начальный момент все час­тицы имели одну общую скорость), над нами, обго­няя,— большие капли. По законам механики более мас­сивные частицы в потоке дальнобойней и медленнее тормозятся. Происходит явление сепарации частиц по диаметрам. (В свое время была сделана попытка ис­пользовать этот эффект как один из методов измерения величины капель.)

Турбулентный хаос силится спутать ровный строй, но его пульсации захватывают лишь самую мелочь, ко­торая носится повсюду. Несущая нас капля начнет на­греваться от тепла окружающего потока и деформиро­ваться, приближаясь по форме к диску-пуговке с оття­нутой кормой. Деформация максимальна на начальном участке, где относительная скорость (геометрическая разность скоростей капли и потока) наибольшая. У нас до дробления дело не дойдет,, возможно, распадутся лишь наиболее крупные капли спектра где-то на пери­ферии факела. Но деформация скажется на нашем дви­жении: возрастет коэффициент сопротивления, и уско­рится торможение капли. Через очень небольшое время ее скорость сравняется со скоростью движения окру­жающего газа, и капля снова стянется в слегка пуль­сирующий шарик. Мы все время будем чувствовать легкие хаотические толчки — воздействие турбулент­ности — и, обернувшись, обнаружим, что вереница ка­пель одинакового размера идет за нами не строго «в за­тылок», а слегка колеблется относительно стационарной траектории.

Соударения капель сравнительно редки, и в нас бу­дут попадать лишь мельчайшие капельки, поглощаемые нашей каплей при соударении. Наша капля все время испаряется — шлейф пара сдувается назад по линиям, тока газа. Струйки пара быстро рассеиваются, смешива­ясь с воздухом и образуя горючую топливовоздушную смесь. Чем капли меньше, тем быстрее они испаряются, пар лучше смешивается с воздухом, смесь будет более однородной по коэффициенту избытка воздуха, то есть лучше подготовлена к горению. Медианная капля в 100 микрометров обычно испаряется на интервале пути в 400—500 микрометров, а на чуть большем пути ис­паряются почти все капли, образующие факел распыли­вания. Остаются недоиспаренными самые крупные кап­ли периферийных траекторий. Мы видим, что короткая жизнь капли действительно насыщена многообразными событиями, взятыми на карандаш исследователями, сумевшими описать всю картину явлений математиче­ским языком.