Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

По аналогии с моделью испарения были построены модель и теория диффузионного горения неподвижной капли, позволившие вычислить время ее сгорания. Сфе­рическое пламя — тонкий нимб вокруг капли, наблю­давшийся в опытах «с падающим ящиком», устанавли­вается на поверхности, где паровоздушная смесь имеет коэффициент избытка воздуха α=1 (это означало, что химическая реакция избирает себе оптимальные усло­вия). Стационарная поверхность фронта пламени — это граница подвода и отвода тепла и вещества. Устанавли­ваются «встречные перевозки»: от фронта к капле — мощный поток тепла, от капли — мощный поток пара, питающий пламя горючим. Извне к фронту пламени идет поток кислорода-окислителя, а от него вовне продукты сгорания; тепло и вещество переносятся молекулярной диффузией.

Задача испарения неподвижной капли была решена. Но в камерах сгорания капли движутся. Предстояло подняться на следующую ступень: решить задачу испа­рения летящей или (что равнозначно) обдуваемой воз­духом капли. Обдув резко повышает скорость испаре­ния: влажные руки на ветру высыхают быстрее. Приро­да идет навстречу инженеру, обеспечивая почти полное испарение за короткое время пролета капель через камеру, если капля достаточно мелкая. Но для исследо­вателя природа не делает поблажек. Маленькая кап­ля— тугой узелок взаимосвязанных процессов. Механи­ка ее движения зависит от аэродинамики обтекания (сил сопротивления), скорость испарения — от скорости полета. Широкое облако пара, окружающее неподвиж­ную каплю, теперь спрессовано напором потока в тон­кий пограничный слой летящей капли толщиной в деся­тые доли ее радиуса. На крошечном интервале в сотые доли миллиметра (рис. 20, б) температура газа резко возрастает: например, на капле бензина от температу­ры жидкости t ж=70°—75°С (уже близко к температуре кипения) до температуры газа 1500 °С. В обдувающем потоке столь же резко падает концентрация пара — от насыщенных паров на жидкой поверхности почти до пуля за пределами пограничного слоя. Законы переноса тепла и вещества в среде приблизительно подобны: чем выше градиент температур (перепад на единице дли­ны), тем больше поток тепла от газа к капле, чем выше градиент концентраций пара, тем больше поток испа­ряющегося вещества от капли.

Это и объясняет столь высокую скорость испарения при обдуве. В тонкой пленке своеобразного погранично­го слоя капли работает интенсивный механизм тепло­массообмена «тяни—толкай». Высокий теплопровод, воз­буждая молекулы жидкости, выгоняет их из капли, а быстрый массоотвод выметает пар с жидкой поверх­ности, освобождая место вновь поступающим молеку­лам.

Но на самой поверхности жидкости, как и у непод­вижной капли, сохраняется хотя и мизерная, но стацио­нарная прослойка насыщенных паров. Это значит, что самый стремительный поток газа обходит заповедную зону термодинамического равновесия, не возмущая ее структуры. В нашем примере капля бензина находи­лась вблизи точки своего кипения — около 80 °С. Каза­лось бы, за чем дело стало: прибавить немного исход­ной температуры газа, и капля закипит, резко ускорит­ся парообразование. Но путь этот заказан: законы мо­лекулярного тепломассообмена в потоке накладывают запрет. Пусть температура газа возрастает хоть до 3000 К и выше, как в камере ЖРД, жар норовит лиз­нуть саму жидкую поверхность, но капля, как малень­кий богатырь, чуть оттесняет тончайшей прослойкой прилегающих газов адское пламя. Ее температура вплот­ную (асимптотически) приблизится к точке кипения, но останется все-таки ниже. (В отличие от чайника, где кипение начинается у дна и в пристеночном слое, на гра­нице соприкосновения жидкости и твердого тела.)

И все же можно исхитриться вскипятить летящую каплю, используя свойство падения температуры кипе­ния с уменьшением давления. Например, в раструбе сопла, где давление падает, капля, влетевшая из зоны высоких давлений в зону низких, мгновенно окажется перегретой, ее температура будет выше температуры кипения, и она закипит уже в неравновесных условиях.

Такова принятая в прикладной науке общая модель явления. Но ведь мы пока потихоньку втащили каплю в прокрустово ложе шаровой симметрии, столь любезной сердцу теоретика и расчетчика. Мы усреднили пере­менный по структуре и ширине слой и «обрубили хвост» сносимых потоком паров. В реальности парообразова­ние на поверхности капли неравномерно, линии тока набегающего газа в ее лобовой и кормовой зоне идут по-разному, за кормой у более крупных капель может отрываться цепочка вихрей.