Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

• Название: Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
• Автор: Марк Волынский
• Издательство: Издательство «Знание»
• Жанр: Физика
• Год: 1986

---

Мы обратились к литературе, опыту других исследо­вателей. Выбор оказался довольно обширным; много­численное семейство распылителей, применяемых в раз­ных отраслях техники, можно было разделить на три основные группы по принципу взаимодействия жид­кости со средой: механические, газовые, или пневмати­ческие, электрические. Простейшей форсункой является струйная: круглая струя жидкости вытекает из цилинд­рического сопла, образуя при распаде факел распыливания с малым углом. Требуется много распылителей, чтобы равномерно напитать топливом объем камеры. Факел можно расширить, если струю подать под углом к воздушному потоку. Он расплющивает струю, и воз­никает жидкий лепесток, как бы элемент круговой пеле­ны центробежной форсунки. 

Один из вариантов прямоструйной форсунки пред­ставляет собой устройство со струями, соударяющимися под углом, или со струей, бьющей в дисковый экран, с которого она стекает в виде цилиндрической пелены — жидкого «стаканчика», переходящего в бахрому стру­ек и капель. 

Наиболее древний из вращающихся распылителей — известное Сегнерово колесо. В нем жидкость вытекает из загнутых радикальных трубочек касательно к окруж­ности вращения. Это одно из проявлений реактивной силы. Такой принцип вращения с помощью жидкой или газовой струи был знаком еще Герону Александрий­скому, античному механику и математику. 

В технике используется также подача струи на внут­реннюю поверхность вращающегося барабана или дис­ка, где жидкость растекается тонкой пеленой, рас­падающейся после удара о диск. Мы уже упоминали разновидность такого распылителя: при «головокружи­тельно» высоких оборотах (и очень малых расходах жидкости) он дает одинаковые капли для специальных опытов. 

Сорвавшись с кромки диска или барабана, жидкая частица имеет две составляющие скорости: высокую вращательную — самого распылителя и меньшую ради­альную — начального течения жидкости от центра к периферии. Результирующая скорость посылает каплю по наклонным прямым. Снижая обороты (что укрупня­ет капли), можно с помощью скоростной фотографии увидеть своеобразный механизм процесса распылива­ния. 

В случае небольших расходов жидкости (первый режим распыливания) по границе диска нарастает жид­кое кольцо с развивающимися волнами колебаний. Каждая волна вытягивается набухающим отростком под действием центробежных сил и отделяется в виде капли. При увеличении расхода наступает второй ре­жим распыливания — отростки на жидком кольце пре­вращаются в длинные нити, распадающиеся на капли. Если расход будет расти дальше, нити не смогут про­пустить всю жидкость, и наступает третий режим рас­пыливания: периферийное кольцо целиком отделяется от кромки, вытягивая за собой жидкую пелену с диска. Ее распад дает уже совсем неоднородные частицы, по­добно пелене центробежной форсунки. Соответствующее устройство требует затрат дополнительной энергии, но это позволяет получать большие расходы и регулиро­вать угол распыливания изменением числа оборотов. 

Акустические и, в частности, ультразвуковые фор­сунки используют высокочастотные колебания, которые воздействуют непосредственно на жидкость или через граничащий с ней воздух. Колебания, передаваемые вибрирующей пластинкой или стержнем, соединенным с генератором, вызывают в жидкости стоячие волны, с гребней которых срываются капли, образуя факел распыливания. Такой интенсифицированный процесс распада в струе или пелене способствует измельчению жидких частиц и делает спектр более однородным, чем в других типах распылителей. 

В газовых или пневматических форсунках (к ним принадлежит уже знакомый нам пульверизатор) есть специальные устройства с каналами, которые направля­ют воздух с большой скоростью соосно или под углом к жидким струям. Иногда воздуху придают вращение или пускают через полость вихря центробежной форсун­ки. Этим достигается дисперсность более высокая, чем в механических распылителях, ценой усложнения кон­струкции и дополнительного расхода воздуха. 

В установке с электрическим распыливанием струя подается в электрическое поле между положительным и отрицательным полюсами. Поле вызывает на струе некоторое неравномерное распределение давления, ко­торое деформирует струю, ускоряя рост неустойчивости и распад. 

Области применения упомянутых распылителей (а их конструкции, порожденные пытливой изобретательской мыслью, все прибывают) различны: струйный и щеле­вой используются в поршневых двигателях внутреннего сгорания и требуют высоких давлений подачи — в 100 и более атмосфер. При очень малых соплах (в доли мил­лиметра) они могут давать мелкое распыливание, но здесь возникает проблема засорения отверстий и необ­ходимости специальных фильтров. Форсунки со сталки­вающимися струями применялись иногда в ЖРД, а сей­час — в противопожарных и других устройствах. 

Вращающиеся распылители используются в химиче­ской промышленности для распыливания вязких жид­костей и суспензий. Газовые форсунки устанавливают­ся в карбюраторных двигателях и в различных техноло­гических аппаратах (нанесение покрытий и т. д.). Аку­стические распылители находят применение в технике приготовления порошков, в ультразвуковых горелках, в фармакологии для приготовления особо тонкодиспергируемых лекарственных эмульсий (они хорошо всасы­ваются тканями организма), в различных топках, су­шилках, в особых очистительных устройствах, пер­спективных в связи с проблемой защиты окружающей среды. Электрическое распыливание применяется в не­которых технологических процессах — окраске мелко­дисперсным красителем, сушке материалов и т. д. 

Типы и конструкции распылителей разнообразны, но в основе их лежит единый принцип: придание потоку жидкости более неустойчивых форм и конфигураций (тонкой пелены) и «подстегивание» процесса роста волн возмущений различными внешними воздействиями (ме­ханическими вибрациями, электрическим полем, направ­ленным потоком газа и т. п.). 

«Перелопатив» груду журналов и монографий, мы убедились, что большинство распылителей имеет свою узкую «профессию» и лишь центробежная форсунка наиболее универсальна, проста и компактна. Удовлетво­ренные, мы вернулись к ней с новым чувством уваже­ния. Гибко изменяя ее параметры rc  , R  , rвх , п, иначе говоря, геометрическую характеристику

 A = rcR / rвх2 n 

- можно всегда вписать форсунку в самые разнообразные условия камеры сгорания по расходу топлива, углу рас­пыливания и дисперсности. 

Возникло желание на опыте посмотреть эффект, скрытый внутри форсунки со сталкивающимися струя­ми. Установку соорудили почти моментально, подклю­чив к водопроводу трубку с Т-образным тройником, на концы которого надели резиновые трубочки с цилиндри­ческими наконечниками. Их закрепили в химических штативах, направив струи в горизонтальной плоскости друг на друга, под углом 90°. Мы чуть-чуть приоткрыли кран, давая минимальную скорость жидкости. Стеклянно-гладкие струи воды столкнулись в начальной зоне истечения. Ну чего, казалось, особенного можно было ожидать в месте соударения? Облака водяной пыли? Но нет конца изобретательности природы в мире капель и струй. И вот возникла совершенно необычная картина. 

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 ρv2/2.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