Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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

---

— 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. 

Математические формулы описали все звенья рабо­чего процесса: спектр распыливания, кинематику капли, закон ее испарения, распределение жидкой и паровой фаз в потоке и т. д. Они легли исходными кирпичиками в общее здание методики расчета смесеобразования в камерах реактивных двигателей и других технических устройств. 

Дальше начинается особый мир горения — сложное «солнечное сплетение» аэромеханических и физико-хи­мических процессов. Не вдаваясь в детали, обрисуем лишь одну из более вероятных, на взгляд автора, схе­му микродиффузионного горения (среди ученых суще­ствуют различные точки зрения на механизм процесса). 

Вспомним прямоточную цилиндрическую камеру со стабилизатором пламени — о нем речь шла в первой главе. Горение начинается от точки поджигания на кромке стабилизатора и представляется наблюдателю стационарной, слегка колышащейся, наклонной грани­цей, отделяющей поток топливовоздушной смеси от зо­ны пламени. Но внутренняя структура фронта много­сложна и подвижна. В сравнительно узком фронталь­ном слое области горения царит механизм соударений и смешений элементов-молей. Вот столкнулись два таких объемчика — моль холодной топливной смеси и моль горячих продуктов сгорания (здесь местная тем­пература полторы — две тысячи градусов). «Пламенное рандеву»! Результат — воспламенение, рождение эле­мента фронта горения в граничном слое на поверхности встречи. Процесс идет быстро, но ступенчато. Турбулентные пульсации (турбулентная диффузия) сталкивают моли — процесс грубого макросмешения; молекуляр­ные пульсации (известная нам молекулярная диффу­зия) прогревают и смешивают газы вдоль границы соударения — процесс тонкого микросмешения: конеч­ный итог и начало химической реакции. Из таких при­чудливо витых отрезков состоит весь турбулентный фронт - пламени. В нем турбулентная и молекулярная диффузия, перемешивая все и вся, гонят фронт огня внутрь вещества: тепло и материя передаются турбу­лентностью по лесенке все более мелких масштабов. За­вершение эстафеты, как мы видели, осуществляется мо­лекулами там, где идет реакция окисления.