Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Нам, начинающим, повезло на начальников и науч­ных руководителей. Генрих Наумович Абрамович, сам ненамного старше нас, был тогда уже видным исследо­вателем и автором известных работ по теории свобод­ной струи. Много позже на одном из его юбилеев кто-то сострил: «50 лет в струю», вкладывая в эти слова два подтекста. Один говорил о преданности делу — по ассо­циации с книгой генерала Игнатьева «50 лет в строю», другой — об умении юбиляра находить нужные, акту­альные задачи. Г. Н. Абрамович — один из создателей советской школы аэрогидромеханики. «Генрих», как мы его звали, живой, привлекательный, руководил ненавяз­чиво, требуя от нас лишь инициативы и самостоятель­ности. Генрих Наумович просто и наглядно объяснял суть сложных аэродинамических явлений. «Мы здесь рассудим по-нашему, по-плотницки»,— говорил он, пояс­няя образование ударной волны в сверхзвуковом тече­нии. Его книга «Прикладная газовая динамика» стала настольной для поколений студентов и инженеров.

В то время он разрабатывал теорию центробежной форсунки, давно и широко применявшейся в технике, но пока не подвластной инженерному расчету. А без фор­сунки нет ракеты, дождевального агрегата, реактивного самолета, котельной установки и еще многого.

Есть в инженерной практике человечества счастли­вые находки, «вечные» устройства, решающие задачу простейшим и рациональнейшим образом: колесо, болт с гайкой. Таково и сопло Лаваля — канал в виде растру­ба на выходе реактивного двигателя, где газ разгоняет­ся до сверхзвуковой скорости. В силу привычки мы не удивляемся античной красоте простых и умных геоме­трических форм. Кстати, древние греки могли бы полу­чить сверхзвуковую струю воздуха, надув бурдюк, выдерживающий давление около двух атмосфер, и подо­брав эмпирически сопло — раструб с определенной пло­щадью горловины, меньшей площади выхода.

Центробежная форсунка — младшая сестра в уни­кальном семействе устройств, которые скупыми сред­ствами, компактно и внешне просто решают сложную техническую задачу. Как пустить жидкость широко рас­ходящимся конусом мелких капель, чтобы полнее на­сытить некий объем? Проще всего подать ее танген­циально, то есть по касательной к окружности внутрь отрезка цилиндрической трубы, один конец которой за­крыт, другой — сужен до малого отверстия (рис. 7). По­лучится камера закручивания, в ней жидкость пойдет по винтовым линиям. На выходе они «расплетутся», об­разовав факел, или конус распыливания. У самого корня это не совсем конус, а поверхность более сложной фор­мы: однополостной гиперболоид (рис. 8).

Течение в камере закручивания не сплошное, а по­лое, и мы уже видели через стеклянное дно форсунки столбик воздушного вихря. Поэтому струя на выходе из соплового отверстия превращается в кольцевую пелену, ограниченную двумя поверхностями гиперболоида тол­щиной несколько десятых миллиметра. При очень ма­лых давлениях подачи (порядка десятой доли атмосфе­ры), то есть малых скоростях истечения, капиллярные силы еще конкурируют с гидродинамическими и замы­кают пелену в полую эллипсообразную форму, что соот­ветствует так называемому режиму пузыря (рис. 9). Поверхностное натяжение силится вернуть жидкости каплеобразную форму шара — минимум поверхности при заданном объеме (известный принцип минимума по­верхностной энергии для равновесной формы жидкости).

С ростом давления подачи пузырь размыкается, и тече­ние становится обычным конусом распыливания, жидкая пелена постепенно укорачивается, сохраняя небольшой венчик у самого корня факела. В тонкой пелене секрет высокой дисперсности, мелкости капель.

Почему же во вращающейся жидкости появляется полость, воздушный вихрь, и что вообще там происхо­дит? Центробежная форсунка — хороший повод пригля­деться ближе к жидким и газовым потокам, кратко по­знакомиться с азбукой гидродинамики идеальной (без трения) несжимаемой жидкости. Нам станут тогда по­нятней события, происходящие в мире капель и струй.

Следить за пространственной картиной изменчивых жидких (и газообразных) сред удобно с помощью ли­ний тока, проведенных касательно к скоростям в раз­личных точках жидкости. Узор таких линий является как бы мгновенной фотографией всего происходящего на большом интервале потока. Этот метод часто более информативен, чем попытка следить за перемещением отдельных жидких частиц. Движение потока может быть установившимся, когда его картина в любом месте не меняется со временем, и неустановившимся, когда она изменчива.