000
ОтложитьЧитал
Введение
Мир состоит из движения – и наиболее загадочное среди всех его форм – это вихрь. С древних времён человек наблюдал вихри в природе: клубящиеся потоки воды, смерчи, пыльные столбы, торнадо, циклоны и даже галактические закрученные диски. Однако даже сегодня, на заре победительной технологической эпохи, вихревая динамика остаётся одной из самых малоисследованных областей физики.
Несмотря на тысячи страниц уравнений Навье–Стокса и миллионы часов численного моделирования, вихрь ускользает от полного понимания – подобно самому потоку, который стремимся «посчитать», не почувствовав его формы.
Эта книга посвящена не столько установившимся теориям, сколько тем явлениям, которые уже имеют физическое или конструктивное воплощение, но ещё не были названы, описаны, приняты как конкретные "эффекты" в рамках академической физики.
Назовём их неоткрытыми эффектами: это зарождающиеся закономерности, наблюдения, гипотезы и технические реализации, которые не вписываются в привычный понятийно-математический аппарат, но тем не менее дают повторяемый результат, конструктивное действие, проявление в движении или структуре потока.
Книга не претендует на формализацию в виде завершённой теории. Напротив – она приглашает читателя воспользоваться языком гипотез, аналогий, кинематики и конструктивной логики, чтобы заглянуть в неизведанные области вихревого поведения.
Здесь рождаются простые и нестандартные методы решения сложных задач – те, которые часто остаются за пределами традиционных научных подходов. Эксперименты проводятся без избыточной усложнённости, на доступной и конструктивной основе, а полученные результаты сохраняют прикладной и повторяемый характер.
1. Методология проектирования и проведения экспериментов
В основе большинства описанных в этой книге эффектов лежит не столько строго выверенная лабораторная физика, сколько прикладное экспериментальное мышление – инженерный подход, допускающий простоту средств при точности наблюдений.
Здесь нет усложнённой протокольной процедуры, но есть жёсткое внутреннее требование: каждое утверждение должно быть проверяемо, результат – повторяем, а вывод – логично вытекающим из наблюдаемого.
Методология в рамках этой книги строится не на «чистой теории», а на прямом взаимодействии с конструкцией, потоком, формой, откликом среды (эксперименте).
Принцип минимально достаточной модели
Каждое устройство, каждый эксперимент в первую очередь стремится ответить на вопрос: что необходимо и достаточно, чтобы проявился эффект? Все избыточные элементы удаляются или упрощаются. Это позволяет:
– исключать побочные внешние влияния,
– сделать конструкцию легко повторяемой и воспроизводимой,
– сосредоточиться на главной переменной: геометрии, форме потока, угле установки, частоте и т. д.
Такой подход создаёт условия для чистого проявления эффекта – без "шумов".
Работа с гипотезой вместо уравнения
В отличие от классического научного подхода, начинающегося с строгой формулы, здесь – всё начинается с гипотезы. Своеобразного инженерного «предчувствия»:
– А что будет, если повернуть лопатку?
– Если сместить закрутку?
– Если вращать источник, а не среду?
Эти вопросы становятся отправной точкой для малого эксперимента. Уровень формализации – после результата. Это не означает отказ от математики: напротив, уравнения возникают позже – как способ закрепить и обобщить уже проявившийся эффект.
Прямая визуализация явления
Один из мощнейших инструментов – наблюдение и съёмка – как с помощью цифровой камеры, так и через визуализацию с использованием окрашенных сред, подсветки, дымов, искровых трассеров. Это позволяет:
– напрямую фиксировать структуру потока,
– наблюдать термодинамическое поведение (температура по свечению),
– видеть эффекты прецессии, закрутки, разделения, кольце образования.
Иногда визуальный след может показать больше, чем прибор: он наглядно демонстрирует структуру движения, направление и фазу.
Проектирование конструкций.
Чертежи, эскизы, наброски и затем – самодельные устройства конструкции из подручных материалов. Часто применяются:
– Стандартная трубка, модифицированная элементами (лопатка, конус, отверстия),
– Пластиковые или металлические заготовки,
– Сменные модули (конусы, диафрагмы) – позволяют быстро сравнивать разные геометрии;
– Упрощённые сопла, завихрители, обечайки, замкнутые объёмы – собираются вручную или при 3D-печати.
Модификация по отклику
Конструкция не проектируется окончательно заранее – она эволюционирует в процессе эксперимента. Мы наблюдаем, как система себя ведёт – и модифицируем её в ответ на этот отклик.
Цикл: Гипотеза – Простая модель – Эксперимент – Визуализация – Модификация – Новый эксперимент.
Так формируются новшества – не за столом с формулами, а на стенде, где мельчайшее изменение формы даёт глубокую физическую перестройку системы.
Повторяемость и погрешности
Хотя методы просты, каждый эксперимент проверяется в повторении, с разными начальными условиями:
– изменяется положение элементов,
– варьируется давление и температура,
– фиксируется стабильность эффекта при ряде повторных прогонов.
Это исключает шумовые эффекты и находит устойчивые закономерности.
Таким образом эффекты, собранные в этой книге, рождаются на стыке новых гипотез и прямых экспериментов. Здесь присутствует буквальный контакт идеи с потоком среды. Такая методология может быть легко воспроизведена – не требуют больших финансовых затрат, только точности в наблюдении и стремления понять форму движения, а не абстрагироваться от неё.
Это наука с «открытым исходным кодом» – каждый может взять идею, повторить эксперимент, проверить гипотезу или предложить свою.
2. Инверсный вихревой эффект
В работе вихревой трубы существует режим, в котором температурное разделение потоков меняет знак относительно стандартной модели Ранке.
Инверсный вихревой эффект наблюдается при существенном превышении температуры подаваемого вихреобразующего потока над температурой внешнего корпуса трубы. В таких условиях возникает противоположное распределение температур: нагрев центрального осевого потока и охлаждение периферийного внешнего вихря.
Таким образом, инверсный вихревой эффект – это режим работы вихревой трубы, при котором направление температурного разделения (горячий поток – холодный поток) зависит от перепада температур между входным вихреобразующим потоком и температурой наружного корпуса вихревой трубы.
Вихревой эффект Ранка:
Классическая терморазделительная трубка Ранка-Хилша. Известна, достаточно широко представлена и практически используется в технике и технологиях. При этом “физика” работы самого процесса терморазделения по настоящее время не однозначна. В данной публикации вопросы работы классической вихревой трубы затронуты не будут, они и так хорошо известны, за исключением акцентирования внимания на 3-х следующих особенностях, которые непосредственно относятся к заявленному:
Известно, что вихревые течения в классической вихревой трубе отличаются интенсивной турбулентностью с присутствием радиальных пульсации скоростей распространений.
Практические работы по изучению турбулентной структуры потоков в вихревых трубах затруднены. Это связано в первую очередь с их относительно малыми габаритами.
Термодинамическая эффективность процесса терморазделения в
вихревых трубах зависит в первую очередь от
степени расширения первичного вихре образующего потока.
π=P1/P0.
Где:
Р1 – давление в потоке на входе в вихревую трубу.
Р1 – давление среды, в которую происходит истечение.
Инверсный вихревой эффект
После проведения многочисленных практических работ в области детонационного горения в вихревых трубах обнаружен инверсивный вихревой эффект.
В вихревую трубу подаётся поток детонационного горения с температурой волнового фронта порядка 2000 градусов.
Волны детонационного горения формируют авто волновой высокоскоростной высокотемпературный поток следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия
На выходе вихревая труба формирует потоки с инверсивным терморазделением. В центральной части формируется горячий поток, в периферийной части – относительно холодный поток.
Эксперимент
Изготовлена прямоточная вихревая труба диаметром 100 мм, см. рис. № 1. Тангенциально приварен входной патрубок диаметром 32 мм.
Рис. № 1. Внешний вид прямоточной вихревой трубы без терморазделительного конуса
В качестве источника волн детонационного горения в экспериментах использовалась самая простая конструкция детонационной бесклапанной горелки трубчатой формы с непосредственной инжекцией воздуха газом (пропаном), см. рис. № 2. Частота следования волн детонационного горения 1 гц.
Рис. № 2. Источник волны детонационного горения – трубчатая импульсная детонационная горелка.
В первую очередь проверялась возможность формирования в вихревой трубе вихревого потока на скоростях входного линейного потока 2000 м/с. Было сомнение, что на таких скоростях вместо вихревого потока в трубе будет идентифицироваться сильно турбулентный аксиальный поток. Эксперименты подтвердили, что это не так.
На рис. № 3 показана визуализация огненного закрученного потока волны детонационного горения с температурой по свечению 1600 градусов.
Рис. № 3. Огненный закрученный поток волны детонационного горения.
Завещающий этап эксперимента – детонационное горение в вихревой прямоточной трубе Ранка-Хилша.
В вихревой трубе использовались три съёмных конуса с углом раскрытия в 45 градусов и диаметрами проходных сечений: 60, 50 и 40 мм, см. рис. № 4.
Рис. № 4. Внешний вид прямоточной вихревой трубы в сборе.
Температуры выходных потоков планировалось измерять по цвету свечения.
– Жёлто-оранжевый – 800–1100 °C,
– Ярко-жёлтый – 1200–1300 °C,
– Белый с голубизной – 1400–1600 °C.
Результат эксперимента подтвердили ошибочность постоянства направления температурного разделения. Что приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.
Визуализация и цвет (температура) двух потоков детонационно-вихревого горения на выходе из прямоточной трубки Ранка-Хилша представлена на рис. № 5.
Рис. № 5. Визуализация двух потоков (холодного и горячего) детонационно-вихревого горения с температурными разделениями по цветовым оттенкам.
Наблюдаемое температурное разделение:
– Центральный (осевой) поток. Цвет – белый, пламя интенсивное. Температура по визуальному анализу – 1500 C или выше.
– Периферийный поток. Цвет – тускло-оранжевый или полноцветный с признаками неполного горения. Температура – ниже 1000 C.
На фото видно, что приосевой выходной поток детонационно-вихревого горения имеет более высокую температуру, чем выходной периферийный поток детонационно-вихревого горения. Результат эксперимента подтвердил ошибочность утверждения постоянства направления температурного разделения, что приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.
Вывод:
Проведённые экспериментальные исследования подтвердили, что направление температурного разделения в вихревой трубе не является строго фиксированным (универсальным) и может изменяться в зависимости от начальных термодинамических условий, параметров подаваемого потока и теплофизических характеристик конструкции трубы.
На основании наблюдений, полученных при подаче в прямоточную вихревую трубу высокотемпературного (детонационного нагретого) газа, было установлено, что центральный (приосевой) поток может иметь температуру выше, чем периферийный. Это свидетельствует о наличии и действии инверсного вихревого эффекта, суть которого заключается в изменении направления терморазделения относительно классической модели Ранке–Хильша.
Таким образом, утверждение о том, что в вихревой трубе осевой поток является всегда более холодным, чем периферийный – не является универсальным законом, а работает только в определённых условиях (при подаче сжатого, но умеренно нагретого воздуха).
Картина температур, визуализированная по цвету свечения пламени на выходе из трубы (рис. 5), показала чёткое различие: центральный поток имел высокий уровень яркости и белый/голубоватый оттенок, соответствующий температуре порядка 1500 C, в то время как периферийный поток имел тёмно-оранжевый цвет, указывающий на существенное понижение температуры.
Это говорит о том, что терморазделение в вихревой трубе может происходить в обратном направлении, и его характер определяется следующими ключевыми факторами:
1. Температура и энергия входного (вихреобразующего) потока.
2. Температура стенок и корпуса вихревой трубы, регулирующая теплообмен с периферийным потоком.
3. Конструктивные особенности (диаметр камеры, длина и глубина закрутки, форма сопел).
Результаты вводят фундаментальные корректировки в современные термогазодинамические предпосылки работы вихревых труб.
Открытие инверсного вихревого эффекта формирует новую научную основу для:
– проектирования терморасщепляющих устройств;
– локализованного нагрева в плазменных и энергетических установках;
– построения новых типов горелок, нагревателей и циклических тепловых машин без подвижных элементов.
Тем самым можно утверждать, что:
Инверсный вихревой эффект является новым физическим явлением, в корне дополняющим теоретико-прикладную базу вихревой энергетики и открывающим новый класс устройств с управляющим распределением тепловых потоков.
Итог: Вихревое температурное разделение – не жестко фиксированный процесс, а управляемое явление, зависящее от начальных и граничных условий, и может быть обращено. Данное открытие доказывает, что природа вихревых тепловых эффектов значительно сложнее и богаче, чем ранее предполагалось.
Применение
– Заявленный эффект является перспективным для проведений высокоскоростного высокотемпературного пиролиза или синтеза элементов.
– Детонационно-вихревой сверх высокотемпературный пиролиз любых отходов промышленного производства.
– Многостадийный детонационно-вихревой способ получения сверх высоких температур для сверх высокотемпературного пиролиза.
Детонационно-вихревой дожиг любых дымовых газов промышленного производства.
Примечание
Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.
Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]