Война и Мiр газотермодинамики

Постижение непостижимого

Знаменитый ученый Теодор фон Карман (Сверхзвуковые и гиперзвуковые течения) (1881–1963), как-то образно сказал, что, когда предстанет перед Создателем, первое, что будет просить – открыть тайну турбулентности!

Вслед за Т. Карманом другой физик Вернер Гейзенберг[1] с его знаменитым «принципом неопределённости» пред своим уходом признал, что хотел бы задать Господу Богу всего два вопроса:

1) Об основах турбулентности;

2) О причине турбулентности.

«Но думаю, что Господь может ответить мне только на первый из них».

Для меня со студенческих лет турбулентность (турбовихрь) – гидрогазодинамическая проблема. В Гидрогазодинамике турбулентный поток – это движение жидкости, характеризующееся хаотическими изменениями давления и скорости.

В повседневных явлениях – прибой, грозовые облака, воздушные «ямы» для самолета: «Пристегните ремни, вы входите в зону турбулентности».

При самом общем подходе турбулентность – одно из глубочайших явлений нашей природы, оно смыкается с философским проникновением в суть вещей.

В эпоху потрясений социума это хорошо поняли социологи, экономисты, политологи, философы.

Физическая, социальная, глобальная – это все о турбулентности и о близости и даже аналогии этих явлений. А значит и о возможностях их описания, расчета и прогнозирования методами неравновесной газотермодинамики.

Все наше бытие – эпоха турбулентности.

Общие представления о турбулентности

Турбулентность (от Turbulentus – бурный, беспорядочный) турбулентное течение – явление, когда при увеличении скорости течения жидкости (или газа) образуются нелинейные фрактальные волны.

Волны появляются случайно, и их амплитуда меняется хаотически в некотором интервале. Они возникают чаще всего либо на границе, у стенки, и/или при разрушении или опрокидывании волны. Они могут образоваться на струях. Количественные условия перехода к турбулентности были открыты английским физиком и инженером О. Рейнольдсом в 1883 году при изучении течения воды в трубах.

Турбулентность в ее обычном понимании возникает в пристеночных слоях слабовязких жидкостей или газов, либо на некотором удаленном расстоянии за плохообтекаемыми телами.

Обычно турбулентность наступает при превышении критической величины неким параметром, например числом Рейнольдса и Релея.

При определенных параметрах турбулентность наблюдается в потоках жидкостей и газомногофазных течениях, жидких кристаллах, квантовых бозе – и ферми – жидкостях, магнитных жидкостях, плазме и любых сплошных средах (например, в песке, в земле, металлах).

Турбулентность наблюдается при взрывах звезд, в сверхтекучем гелии, в нейтронных звездах, в легких человека, движении крови в сердце, при турбулентном т. н. вибрационном горении и т. д. и т. п.

Некоторые формы турбулентности.

– Механическая турбулентность (при обтекании тел с большой скоростью;

– Грозовая турбулентность («пристегните ремни»);

– Тепловая турбулентность;

– Турбулентность ясного неба;

– Атмосферная турбулентность;

– Химическая турбулентность;

– Плазменная турбулентность;

И др.

Модели турбулентности – их множество. От первых моделей Рейнольдса, Прандтля, Кармана, Колмогорова до современных гибридных моделей и численного моделирования уравнений Навье – Стокса с использованием нейросетей.

На их основе разработано огромное множество математических моделей турбулентности (RANS, LES, DES, b DNS модели). Эти модели широко используются для инженерных расчетов.

Турбулентность – фундаментальный принцип природы, обеспечивающий передачу энергии и информации в пространстве и времени за счет перемешивания.

Развитие информационно-коммуникационных технологий, нейросетей и элементов искусственного интеллекта – новые тренды постижения турбулентности.

Разнообразие видов турбулентности, обилие ее моделей и главное рост вопросов и понятий при их исследовании – знак непостижимости этой проблемы, расширяющий понятие газотермодинамики.

Тайны вихря. Смерчи и торнадо

Страшен смерч в океане. Еще страшнее смерч пустыне. Гигантские воздушные вихри горы могут унести из каравана путника вместе с вихрем.

Рис. 2–1. Смерч.

«По древней легенде храбрец, повстречавший в пустыне смерч на своем пути должен смело к нему подойти и, не дрогнув, метнуть в него кинжал. Смерч исчезнет, а на стальном лезвии останутся капли холодной росы. Это – «кровь шайтана», пораженного смелым воином».

Удивительно, как часто скрывается истина в старых поэтических легендах. Может быть, сотни лет жители пустынь знали о сильном холоде в середине вихревого столба.

Оказывается, что во всяком газовом вихревом движении температура наружных слоев выше окружающей среды, а в центре – значительно ниже. Но откуда «холодная роса»?

Структура торнадо

Вот такой амбициозной разгадке тайны вихря (образования росы) и была посвящена диссертация моего аспиранта Ю. Лаухина «Исследование вихревых потоков конденсирующегося пара. 1973 г., МЭИ.

Тайна вихревой спонтанной конденсации. Кейс от МЭИ

И здесь ключ к разгадке.

Суперсовременная экспериментальная база проблемной лаборатории турбомашины МЭИ. Исследовались процессы вихреобразования и конденсации при обтекании пластин, цилиндров и сопловых турбинных решеток.

Базовое оснащение эксперимента: комплексный стенд пародинамической трубы – скорости пара до – транс и сверхзвуковые. Рабочая часть с прозрачными кварцевыми стеклами. Инструментарии:

– Методы лазерной диагностики структуры пара сверхскоростных, двухфазных потоков;

– Теневой оптический прибор ИАБ -451 (метод Теплера);

– Сверхскоростная фоторегистрирующая установка (СФР – 2М). Скорость до 2,5 млн. кадров в секунду;

– Другие классические методы термо и пневмометрии в газотермодинамике.

На основании комплексных исследований и анализа показано, что вихревая дорожка (рис. 2–2) является генератором интенсивной конденсации пара при отсутствии переохлаждения основного потока. Размеры капель ≈ м. Причина – резкое понижение температуры в ядре вихря (рис 2–3), достижение предельного перенасыщения и как следствие – спонтанное (внутри вихревое) образование жидкой фазы («Кровь шайтана»).

Рис. 2–2. Расположение вихрей за пластинкой, обтекаемой потоком пара. (Опыты МЭИ)

Рис. 2–3. Распределение термодинамических параметров в вихре.

Бросок кинжала внутрь смерча – провокация спонтанной конденсации. Резкое выделение тепла приводит к разрушению смерча (почему бы и нет).

Открытие спонтанной конденсации в вихревых закромочных следах привело к осознанию и развитию концепции влагообразования по схеме гетерогенной конденсации в турбинах влажного пара АЭС.

Фрактальность турбулентности

Дорожка Кармана, или порядок из «Хаоса».

Парадоксальный на первый взгляд процесс самоорганизации.

Ощущение турбулентности как неуправляемого хаоса скорее эмоциональное, чем естественно-научное, а фрактальность – прообраз самоорганизации.

Фракталы – это структуры, состоящие из частей, которые в каком-то смысле подобны целому (самоподобные). Это означает, что небольшая часть фрактала содержит информацию о фрактале. В любом масштабе мы всегда видим одно и то же, или нечто подобное. По идеологии создателя фрактальной геометрии Б. Мандельброта «Фрактальное мышление позволяет обнаружить закономерность в хаосе».

Создав фрактальную структуру объекта, мы можем с высокой точностью прогнозировать поведение реального прототипа, проводя компьютерный эксперимент с фракталами.

И здесь Б. Мандельброт однозначен: «Для природы характерен именно фрактальный способ самоорганизации».

Фрактальное моделирование позволяет исследовать и репрезентовать поведение динамических систем.

Компьютерные эксперименты с фрактальными моделями позволяют воспроизводить явления и процессы, невозможны в реальном мире.

Фрактальные структуры отмечаются во многих областях реального мира. Ветви дерева, структура легких, графики данных о продаже акций, облака, снежинки, система кровообращения – все они обладают самопохожестью.

Фрактальные модели позволяют обнаружить отдельные закономерности и упорядоченность даже в таких системах, в которых на первый взгляд присутствует только беспорядок и хаос.

Генерируемые компьютерными программами искусственные изображения фракталов зачастую настолько схожи с естественными природными объектами или явлениями, что их очень сложно отличить друг от друга. Примеры фрактального моделирования (фрактальная геометрия) картография – при изучении форм береговых линий, русел рек. Биология – при анализе строения кровеносной и нервной системы, бронхиального дерева (рис. 2–4). Отмечаются также попытки фрактального моделирования социальных и политических процессов.

Рис. 2–4. Кровеносная система легких человека.

В плане любимой газотермодинамики один из впечатляющих и красивых проявлений фрактальности является знаменитая вихревая «Дорожка Кармана».

Кстати, в случае Кейса от МЭИ (тайна вихря) именно исследование этого процесса позволило открыть и обосновать тайну «росы».

Всего лишь два примера, но каких!

1. Дорожка Кармана при обтекании острова (снимок из космоса (рис. 2.6)

2. Вихревая дорожка при обтекании шара

Исследованиям вихревой «дорожки Кармана» посвящена масса работ и публикаций, в том числе и автора.

Порядок через хаос – концепция знаменитого Ильи Пригожина, близкому автору по взглядам.

Рис. 2.6. Дорожка Кармана при обтекании острова

Рис. 2–7. Расположение вихрей за пластинкой, обтекаемой потоком пара

Восторги от познания тайн турбулентных вихрей – понятны, как и цель нашей книги – вовлечение в профессию.

«О резкости» фазовых переходов