Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Теперь со знанием дела, слегка подкованные по части гидродинамики, обратимся снова к форсунке: интерес­но, как там работает связка «опыт—теория»? Вблизи горизонтальной оси форсунки, где радиус r мал, скорость вращения жидкости и велика, это диктуется уравнени­ем (2). Велика и кинетическая энергия — слагаемое в законе Бернулли pu 2/2. Следовательно, другое слагае­мое— давление Р — мало. Двигаясь все ближе к оси, при r ->0 получаем — согласно уравнениям (2) и (3) — нечто странное: и ->∞ , Р ->—∞.

Это называется особой точкой решения. Математика начинает «чудить», приводит к противоречию с физи­кой, к невозможному результату: бесконечная скорость, бесконечное, да еще отрицательное давление.

Но часто математический парадокс как бы подает сигнал: здесь не разрыв со здравым смыслом, а разрыв в самой картине явления — ищите резкого изменения формы течения. А происходит вот что: когда давление у самой оси упадет ниже уровня давления среды, воз­дух из атмосферы засосётся внутрь форсунки через соп­ловое отверстие и образуется полость — воздушный вихрь радиуса r m , подобие воронки в ванне при сливе воды. Математическое зеркало, даже искривляясь, как бы продолжает своей кривизной отражать реаль­ность.

Теория центробежной форсунки создавалась у нас на глазах, и многие помнят, как возникла неожиданная, трудность: число уравнений в задаче оказалось меньше числа неизвестных — радиус вихря r m стал «лишним», для него не хватило одного уравнения. Проблема зашла в тупик, поскольку было неясно, как вычислить главную величину — расход жидкости. В уравнении

Тогда Г. Н. Абрамович решил: посмотрим структуру неизвестного, и построил зависимость расхода от радиу­са r m или, что равносильно, от коэффициента φ c(при постоянном давлении подачи). Обнаружилась характер­ная особенность: при малых r m (толстое колечко) сече­ние выхода хорошо заполнено жидкостью, зато осевая скорость потока мала и их произведение (расход) мало; при больших r m (тонкое колечко) выходное сечение за­полнено плохо, и, хотя скорость велика, расход опять мал. На кривой при каком-то промежуточном значении r m обнаружился четкий максимум: природа как бы сама обращала внимание исследователя на одну особенную точку графика. Интуиция исследователя подсказала Генриху Наумовичу смелый «принцип максимума рас­хода», отбирающий одно-единственное в целом мире ре­шение; из всех возможных вихрей форсунка избирает такой, что расход жидкости получается наибольшим. Этот принцип позволил замкнуть теорию — интуиция заменила недостающее уравнение.

Опыт подтвердил красивую гипотезу в определенном диапазоне режимов. Был достигнут существенный про­гресс. В дальнейшем теория уточнялась и развивалась советскими учеными Л. А. Клячко, В. И. Скобелкиным, В. Б. Тихоновым и другими. Она нашла самое широкое применение в инженерной практике, поскольку позволя­ет просто вычислять расход жидкости и угол распыли­вания. Массовый расход в соответствии с уравнени­ем (5) запишется так:

характеристика форсунки, r и п — соответственно ра­диус и число каналов камеры закручивания.

Геометрическая характеристика оказалась фактором подобия: самые разные форсунки, имеющие одинаковую комбинацию основных размеров А , имеют одинаковые коэффициенты расхода μи углы распыливания. Теперь общая картина течения в форсунке выглядит так. По­ток, попадая из широкой камеры закручивания в узкое сопло, ускоряется — работает уравнение сохранения расхода. Убыстряется и вращение, как у фигуриста, мгновенно сложившего на груди до этого раскинутые руки (уравнение сохранения момента количества дви­жения). Давление жидкости, вышедшей в открытое про­странство, должно упасть до атмосферного, центробеж­ное давление — исчезнуть. Но энергия не исчезает. По уравнению Бернулли потенциальная энергия переходит в кинетическую, то есть возрастает скорость истекаю­щей пелены, и она на самом выходе утоньшается. Итак, остроумная догадка о максимуме расхода разрешила трудности и дала законченную теорию явления.