Вихревые потоки: Вихревое движение — Википедия – Вихревые потоки | Гольдштик М.А.

Вихревое движение — Википедия

Вихревое движение — движение жидкости или газа, при котором мгновенная угловая скорость вращения элементарных объёмов среды не равна нулю. Количественной мерой зави́хренности служит псевдовектор ω=rot⁡ v{\displaystyle {\omega =\operatorname {rot} ~v}}, где  v{\displaystyle \ v} — вектор скорости жидкости; ω{\displaystyle \omega } называют псевдовектором вихря или просто завихренностью.

Движение называется безвихревым или потенциальным, если ω=0{\displaystyle \omega =0}, в противном случае имеет место вихревое движение.

Векторное поле вихря удобно характеризовать некоторыми геометрическими образами. Вихревой линией называется линия, касательная к которой в каждой точке направлена по вектору вихря; совокупность вихревых линий, проходящих через замкнутую кривую, образует вихревую трубку. Поток вектора вихря через любое сечение вихревой трубки одинаков. Он называется интенсивностью вихревой трубки и равен циркуляции скорости Γ=∫Cvdl{\displaystyle \Gamma =\int _{C}v\,dl} по произвольному контуру C{\displaystyle C}, однократно охватывающему вихревую трубку

[1].

За редким исключением, движение жидкости или газа почти всегда бывает вихревым. Так, вихревым является ламинарное течение в круглой трубе, когда скорость распределяется по параболическому закону, течение в пограничном слое при плавном обтекании тела и в следе за плохо обтекаемым телом. Вихревой характер носит любое турбулентное течение. В этих условиях выделение класса «вихревое движение» оказывается осмысленным, благодаря тому, что при преобладании инерционных сил над вязкими (при очень больших числах Рейнольдса) типична локализация завихренности в обособленных массах жидкости — вихрях или вихревых зонах.

Согласно классическим теоремам Гельмгольца, в предельном случае движения невязкой жидкости, плотность которой постоянна или зависит только от давления, в потенциальном силовом поле вихревые линии вморожены в среду, то есть в процессе движения они состоят из одних и тех же частиц жидкости — являются материальными линиями. Вихревые трубки при этом оказываются вмороженными в среду, а их интенсивность сохраняется в процессе движения. Сохраняется также циркуляция скорости по любому контуру, состоящему из одних и тех же частиц жидкости (теорема Кельвина). В частности, если при движении область, охватываемая данным контуром, сужается, то интенсивность вращательного движения внутри него возрастает. Это важный механизм концентрации завихренности, реализующийся при вытекании жидкости из отверстия в дне сосуда (ванны), при образовании водоворотов вблизи нисходящих потоков в реках и определяющий образование циклонов и тайфунов в зонах пониженного атмосферного давления в которые происходит подтекание (конвергенция) воздушных масс.

В жидкости, находящейся в состоянии покоя или потенциального движения, вихри возникают либо из-за нарушения баротропности, например образование кольцевых вихрей при подъёме нагретых масс воздуха — термиков, либо из-за взаимодействия с твердыми телами.

Если обтекание тела происходит при больших числах Re{\displaystyle Re}, завихренность порождается в узких зонах — в пограничном слое — проявлением вязких эффектов, а затем сносится в основной поток, где формируются отчетливо видимые вихри, некоторое время эволюционирующие и сохраняющие свою индивидуальность. Особенно эффектно это проявляется в образовании за плохообтекаемым телом регулярной вихревой дорожки Кармана. Вихреобразование в следе за плохообтекаемым телом определяет основную часть лобового сопротивления тела, а образование вихрей у концов крыльев летательных аппаратов вызывает дополнительное [[Лобовое сопротивление}индуктивное сопротивление]].

При анализе динамических вихрей и их взаимодействия с внешним безвихревым потоком часто используется модель сосредоточенных вихрей — вихревых нитей, представляющих собой вихревые трубки крошечной интенсивности, но бесконечно малого диаметра. Вблизи вихревой нити жидкость движется относительно неё по окружностям, причём скорость обратно пропорциональна расстоянию от нити, v=Γ2πr{\displaystyle v={\frac {\Gamma }{2\pi r}}}. Если ось нити прямолинейна, это выражение верно для любых расстояний от нити (потенциальный вихрь). В сечении нормальной плоскости это течение соответствует точечному вихрю. Система точечных вихрей представляет собой консервативную динамическую систему с конечным числом степеней свободы, во многом аналогичную системе взаимодействующих частиц. Сколь угодно малое возмущение первоначально прямолинейных вихревых нитей приводит к их искривлению с бесконечными скоростями. Поэтому в расчетах их заменяют вихревыми трубками конечной завихренности. Узкая область завихренности, разделяющая две протяженные области безвихревого движения, моделируется пеленой — поверхностью, выстланной вихревыми нитями бесконечно малой интенсивности, так, что суммарная их интенсивность на единицу длины по нормали к ним вдоль поверхности постоянна. Вихревая поверхность представляет собой поверхность разрыва касательных компонент скорости. Она неустойчива к малым возмущениям.

В вязкой жидкости происходит выравнивание — диффузия локализированных завихренностей, причем роль коэффициента диффузии играет кинематическая вязкость жидкости ν {\displaystyle \nu \ }. При этом эволюция завихренности определяется уравнением^[2]

∂ω∂t=rot⁡(vω)+ν▽2ω,{\displaystyle {\frac {\partial \omega }{\partial t}}=\operatorname {rot} (v\,\omega )+\nu \triangledown ^{2}\omega ,}

или^[3]

dωdt=(ω∇)v+ν▽2ω,{\displaystyle {\frac {d\omega }{dt}}=(\omega \nabla )v+\nu \triangledown ^{2}\omega ,}

то есть быстрота изменения вектора ω{\displaystyle \omega } определяется производной вектора v {\displaystyle v\ } по направлению ω{\displaystyle \omega }.

При больших числах Re{\displaystyle Re} движение турбулизируется, и диффузия завихренности определяется много большим коэффициентом эффективной турбулентной вязкости, не являющимся константой для жидкости и сложным образом зависящим от характера движения.

1. ↑ Здесь (имеется в виду vdl{\displaystyle v\,dl}) и ниже в статье произведение двух векторов без специального знака между ними означает скалярное произведение.
2. ↑ Получаемым применением ротора к обеим частям уравнения Навье — Стокса в допущении несжимаемости.
3. ↑ Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г. П. Свищев. 1994. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/1824/Вихревое

• Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика. 6 изд., ч.1. — М., 1963 г.;
• Седов Л. И. Механика сплошной среды, т.1-2, 4 изд. — М., 1983-84;
• Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Проблемы гидродинамики и их математические модели, 2 изд. — М., 1977;
• Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости, пер. с англ. — М., 1973

Вихревые токи — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Иллюстрация возникновения токов Фуко в движущейся в постоянном магнитном поле проводящей (металлической) пластине C. Вектор магнитной индукции B показан зелеными стрелками, вектор V скорости движения пластин — черными стрелками, силовые линии вектора плотности электрического тока I — красным цветом (эти линии замкнутые, «вихревые»).
Источником магнитного поля является постоянный магнит, его фрагмент показан вверху рисунка серым цветом. Вектор магнитной индукции B направлен от северного (N) полюса магнита, магнитное поле пронизывает пластину. В материале пластины, входящем под магнит, т.е. слева, магнитная индукция изменяется во времени, возрастает (dB_n/dt > 0), и в соответствии с законами Фарадея и Ома в материале пластины возникает (наводится, «индуцируется») замкнутый (вихревой) электрический ток. Этот ток течет против часовой стрелки и, по закону Ампера, создает свое собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого показан синей стрелкой, направленной перпендикулярно плоскости протекания тока, вверх.
Справа, в материале пластины, удаляющемся от магнита, магнитное поле тоже меняется во времени, однако оно ослабевает, и силовые линии возникающего справа еще одного электрического тока направлены по часовой стрелке.
Точно под магнитом «левый» и «правый» вихри токов направлены в одну и ту же сторону, плотность суммарного электрического тока максимальна. На движущиеся в этой области электрические заряды, поток которых образует электрический ток, в сильном магнитном поле действует сила Лоренца, направленная (по правилу левой руки) против вектора скорости V. Эта сила Лоренца тормозит пластину C. Взаимодействие магнитного поля магнита и магнитного поля индуцированных токов приводит к тому, что результирующее распределение потока магнитного поля в окрестности полюса N магнита отличается от случая неподвижной пластины C (и зависит от скорости V), хотя суммарный поток вектора магнитной индукции остается неизменным (при условии, что материал магнита и пластины C не входит в насыщение). У этого термина существуют и другие значения, см. Ток.

Вихревые токи, или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревой^[1] индукционный^[2] объёмный электрический ток^[3], возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Фуко также открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под действием изменяющегося во времени (переменного) магнитного поля^[4] и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов.

Поскольку электрическое сопротивление массивного^[5] проводника может быть мало, то сила индукционного электрического тока, обусловленного токами Фуко, может достигать чрезвычайно больших значений. В соответствии с правилом Ленца токи Фуко в объеме проводника выбирают такой путь, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание. Поэтому, в частности, движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с внешним магнитным полем. Этот эффект используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов без использования силы трения, а также в некоторых конструкциях тормозных систем железнодорожных поездов.

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах, где в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в котором возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. Подобным образом работают индукционные плиты, в которых металлическая посуда разогревается вихревыми токами, создаваемыми переменным магнитным полем катушки, расположенной внутри плиты.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

В соответствии с правилом Ленца вихревые токи протекают внутри проводника по таким путям и направлениям, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Вследствие этого при движении в магнитном поле на хорошие проводники действует тормозящая сила, вызываемая взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этот эффект используется в ряде приборов для демпфирования колебаний их подвижных частей.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками (шихтовка). Появление ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.

Вихретоковый контроль — один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.

1. ↑ Термин вихревой означает, что силовые линии тока замкнуты.
2. ↑ Индукционным называют электрический ток, создаваемый (наводимый) в проводнике за счет взаимодействия проводника с переменным во времени магнитным (электромагнитным) полем, а не за счет действия включенных в разрыв цепи источников тока и ЭДС (гальванических элементов и т.п.).
3. ↑ Часто используется термин токи во множественном числе, поскольку токи Фуко представляют собой электрический ток в объеме проводника, и в отличие от индукционного тока во вторичной обмотке трансформатора затруднительно указать
   единственную «электрическую цепь» для тока, единственную замкнутую траекторию движения электрических зарядов в толще проводника.
4. ↑ Строго говоря — под действием переменного электромагнитного поля
5. ↑ То есть обладающего большой площадью поперечного току сечения

• Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977
• Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
• Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.

Многоликие вихри

: 11 Ноя 2006 , Загадки «ржавой» ДНК , том 12, №6

Завихрения — одна из основных форм движения текучей среды. Их структура и размеры удивительно разнообразны. Вихри образуются в технических сооружениях, устройствах, механизмах, а также в реках, океанских течениях, атмосферных потоках… Они могут быть нашими помощниками, как, например, при создании подъемной тяги самолетов, но могут быть и врагами, порождая разрушительные явления огромной мощности, такие как ураганы и торнадо. У вихревых потоков много уникальных свойств…

Толковый словарь великорусского языка Даля дает много синонимов слова «вихрь», говорящих сами за себя: кружалка, заверть, ветроворот, столбовый ветер, даже чертова свадьба… Но для современного горожанина наиболее знакомым видом вихревого движения будет, пожалуй, водоворот, образующийся при вытекании воды из ванны.

Иногда вихревые следы можно наблюдать и на небе — вслед за летящим реактивным самолетом. Образуются вихри при обтекании самолетного крыла воздушным потоком. Кроме того, струи из реактивных двигателей самолета, фюзеляжные вихри (образующиеся в месте соединения крыла с фюзеляжем) вместе с так называемым неустойчивым сдвиговым слоем воздуха за крылом закручиваются в довольно мощные концевые вихри. Последние можно увидеть, например, за самолетом сельскохозяйственной авиации, летящим на низкой высоте и распыляющим через устройство под крыльями инсектициды, служащие своеобразными «маркерами» вихревого движения.

Следы в небе

В вихревом следе, образующемся при обтекании воздушным потоком самолетного крыла, обычно присутствуют вихревые структуры неправильной формы, со множеством мелких вихрей с осями, ориентированными в направлении полета. Такие завихрения можно увидеть на снимках крыла самолета, полученных методом лазерной визуализации.

Концевые вихри за самолетом становятся видимыми благодаря отработанным газам реактивных двигателей при полете на крейсерской скорости на большой высоте. При сгорании в двигателе авиационного топлива (керосина) образуются двуокись углерода, водяной пар, окись азота и сажа. На тех высотах, где летают самолеты, температура низкая, поэтому пары воды конденсируются на частицах, образуя в результате различных физических процессов (замерзания, испарения, сублимации) микрокапли или микрокристаллы. Последние и вовлекаются в концевые вихри, в результате чего за самолетом появляются длинные белые конденсационные «шлейфы», которые часто можно видеть в ясном небе.

Как долго будет существовать такой след, зависит от многих факторов, главным образом от температуры, направления ветра и влажности воздуха. Иногда шлейф рассеивается через несколько минут, в некоторых же случаях срок его «жизни» достигает нескольких часов. Замечено также, что при определенных условиях конденсационный след распадается на структуры наподобие вихревых колец.

Это явление называют обычно неустойчивостью Кроу по имени американского ученого С. К. Кроу, который в 1970 г. впервые дал аналитическое описание начальных стадий этого процесса. Кроу показал, что взаимодействие двух концевых вихрей может приводить к усилению так называемых возмущений вытеснения, длина волны которых в осевом направлении обычно в несколько раз превосходит начальное расстояние между вихрями. Позднее, в 1977 г. французские исследователи Т. Льюк и С. Вильямсон исследовали это явление в лабораторном эксперименте, полностью подтвердив выводы Кроу.

Вихрь фон Кáрмана

В атмосфере можно наблюдать и другие вихри. Например, с помощью спутника «Landsat 7» была обнаружена так называемая вихревая дорожка Кáрмана — больших размеров, с подветренной стороны острова Александр Селкирк (архипелаг Хуан Фернандес), расположенного в Тихом океане примерно в 800 км на запад от Чили.

Венгерский ученый Теодор фон Карман был первым, кто в 1911 г. обнаружил образование особой последовательности вихрей при обтекании кругового цилиндра, ось которого перпендикулярна встречному потоку, и описал условия ее формирования.

В случае острова Александр Селкирк хочется отметить два момента. Во-первых, эта последовательность встречных завихрений никогда не была бы открыта без применения спутниковых технологий. Во-вторых, удивляет то, что такой небольшой скалистый остров (его площадь составляет около 44 км2, а вершина самой большой горы высотой 1319 м легко достигает облаков) спровоцировал образование столь огромной вихревой дорожки.

Вихревые дорожки Кармана продолжают изучать до сих пор, поскольку периодические выбросы подобных вихрей бывают настолько мощными, что могут вызвать колебания (резонанс) в самых разных объектах. Подтверждением их опасности служит разрушение таким вихрем в 1940 г. моста Такома-Нэрроуз (штат Вашингтон, США).

У вихревых дорожек может быть невероятное множество конфигураций. Для подтверждения приведем лишь один пример, а именно — исследование Г. Эрхард­том из нашего Аэродинамического института (г. Ахен, Германия) в 1979 г. вихревых структур, образующихся при прохождении потока воздуха внутри и вокруг кольца, размещенного под прямым углом к потоку. Завихрения, идущие от внутреннего и внешнего краев такого кольца, представляют собой парные вихревые кольца, по форме похожие на облака на подветренной стороне острова Александр Селкирк. Очевидно, что размер кольца, измеряемый сантиметрами, совершенно не влияет на зарождение вихревой дорожки. Поэтому оно «работает» точно так же, как и остров, протяженность которого от одного побережья до другого составляет несколько километров.

Ураганы-убийцы

Хотя смерчи, циклоны, ураганы и торнадо не относятся непосредственно к предмету нашего рассмотрения, однако на определенном этапе своей «эволюции» они также могут рассматриваться как слабые вихри — до тех пор, пока не наберут силы и не перерастут в ураганы-убийцы, как их часто называют в США.

Небольшие воронкообразные облака время от времени образуются и над Европой — их можно видеть на снимках метеорологической службы. Воронки могут подниматься от земли до верхних слоев облаков. В случаях, когда они разрастаются до урагана, мощность ветра внутри них может превышать триллион ватт! Появляясь в последние годы все чаще, ураганы-убийцы могут опустошать огромные пространства, как это произошло в 2005 г. в США, где в результате «налета» урагана «Катрина» был затоплен Новый Орлеан.

Малые вихри можно моделировать в лабораторных условиях подобно уже упомянутой вихревой дорожке Кармана. Так, в 1990 г. Т. Саваде и Т. Льюку, ученым Аэродинамического института, удалось получить слабые вихри в форме зарождающихся вихревых структур в стеклянном контейнере квадратного поперечного сечения, наполненном водой и дополненном пластиной, закрепленной на стенке контейнера. Начальные вихри получали, поворачивая пластину на определенный угол. Для визуализации потока в воду впрыскивали разноцветные красители с заднего края пластины в шести осевых направлениях. Поток фотографировали в двух освещенных плоскостях — параллельной и перпендикулярной оси завихрения.

На серии снимков, сделанных в «профиль», благодаря красителям хорошо видны все этапы зарождения, развития и, наконец, разрушения первоначально «тонкого» вихря вследствие индуцированного им осевого движения. Разрушение структуры потока в центре завихрения отчетливо видно и на снимках, сделанных в «фас» — в плоскости, параллельной оси завихрения. Эти фотографии имеют некоторое сходство со снимками ураганов, сделанными со спутников или космических станций. Во второй серии экспериментов контейнер повернули на 90 °, так что ось пластины заняла вертикальное положение. Верхнюю стенку контейнера сняли, а на дно насыпали кварцевый песок. Затем стали изучать образование завихрения в слое жидкости над песчаным дном — песок в этом случае исполнял роль красителя, маркера вихревого движения.

Когда пластина поворачивалась, в воде возникало начальное завихрение, как и в предыдущем эксперименте. Затем также образовывались два других вихря, значительно слабее первого. Хотя кварцевый песок довольно тяжелый, в центре вихрей давление настолько понижалось, что песок засасывался и поднимался кверху. При относительно высоких скоростях вращения пластины ядро завихрения на некотором расстоянии от дна оставалось практически прямолинейным, а выше — закручивалось в спираль. В последующих экспериментах удалось показать, что при сильном завихрении ядро вихря может замкнуться в полный круг.

Подобные деформации ядра вихря наблюдались и в природных условиях — в случае торнадо. Так, А. Б. С. Уиппл в своей книге «Ураган» привел серию снимков, демонстрирующих развитие торнадо 6 июля 1978 г. в Северной Дакоте (США). Воронкообразное ядро торнадо, видное благодаря присутствию в нем водяного пара, имело практически форму круга, как и в описанном выше эксперименте.

Пузырек и спираль

Явление, при котором ядро вихря начинает отклоняться от прямой линии и закручиваться в спираль, называется разрушением спиралевидного вихря. Оно происходит и в потоках других типов, образующихся, например, в турбореактивных двигателях. Одним из примеров такого вихревого потока служит закрученный поток в модели диффузора гидротурбины, изученный швейцарскими учеными. Ядро завихрения, возникающего при прохождении диффузора, деформируется и приобретает форму спирали.

Еще один пример — закрученный поток в трубо­проводе с переменным сечением, распад ядра которого вызывается ростом давления в трубопроводе в аксиальном (осевом) направлении. Нужно отметить, что предшественником разрушения спиралевидного вихря часто является распад другого типа — пузырьковый. Именно такой «пузырек» и образуется в потоке жидкости в трубопроводе. Сначала появляется вихревая структура в форме парных колец, одно из которых расположено по ходу потока от пузырька («вниз по течению»), а другое — выше по потоку. Давление в трубопроводе растет до тех пор, пока в нем не сформируется точка торможения, ниже которой жидкость начинает двигаться в обратном направлении.

Перед началом разрушения пузырек становится почти симметричным относительно своей оси, но затем завихрение, расположенное ниже по потоку, отрывается и движется вниз «по течению». Симметрия утрачивается, вихревое кольцо, покидая зону высокого давления, расположенную ниже точки торможения потока, разрушается. Ядро завихрения закручивается в спираль вокруг зоны высокого давления — поток начинает разрушаться по спиралевидному типу. Интересно, что хотя такие потоки в трубах активно изучались в последние двадцать лет, условия, определяющие переход от пузырькового распада к спиральному, до сих пор остаются неизвестными.

В 1978 г. американцы Дж. Х. Фэлер и С. Лейбович провели этот эксперимент таким образом, что и пузырь, и вихревое кольцо стабильно оставались в потоке на одном и том же месте. И прошло почти двадцать лет, прежде чем такую парную конфигурацию вихревого распада удалось смоделировать с помощью мощного компьютера — получив численное решение уравнения Навье-Стокса, описывающего течение вязкой жидкости. Повторил эксперимент Фэлера-Лейбовича М. Ваймер из Аэродинамического института, который показал, что пузырь после образования точки торможения на оси завихрения потока сначала немного «мигрирует» вверх по течению, а потом держится на постоянном месте.

Самолеты и космолеты

Разрушение вихрей может происходить и на крыльях сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей, обычно имеющих треугольную форму. Такие крылья генерируют на подветренной стороне вихревые системы — благодаря этому их подъемная сила увеличивается при больших углах атаки (наклоне крыла к линии полета). Такая вихревая система состоит из большого первичного вихря, двух-трех более мелких вторичных вихрей, вихрей третьего (а иногда и четвертого) порядка, а также сдвигового слоя. Благодаря низкому давлению в ядре первичного вихря подъемная сила крыла увеличивается нелинейно.

При больших углах атаки давление в основном потоке на верхней стороне крыла растет по направлению к его задней кромке — это влияет на структуру вихревого движения. И в случае, если давление начинает быстро расти, первичный вихрь распадается.

В. Лимберг и А. Штромберг, исследователи из Аэродинамического института, на модели транспортной космической системы с использованием метода визуализации потока показали, что режимы распада вихрей, описанные для закрученных потоках в трубах, «работают» и на подветренной стороне подобных космолетов.

«Ветвистые» трубы

Первые работы по расчетам характеристик течения жидкости в трубах были опубликованы более 150 лет назад Г. Хагеном и Дж. Пуайзелем. Казалось бы, что с тех пор почти все, что происходит в этих потоках, включая образование вихревых структур, можно было описать уравнениями, выведенными этими учеными. Однако ситуация радикально меняется, когда речь заходит об изогнутых или разветвленных трубах.

Хотя в первом случае задача усложняется лишь кривизной трубы, это значительно меняет всю картину. Описать же течение в разветвленных трубах еще сложнее — для них может существовать сразу несколько режимов потоков в зависимости от направления и интенсивности движения жидкости. Эта проблема была детально изучена в 1990 г. учеными из Аэродинамического института Р. Найкесом и Б. Бартманном, которые использовали трубы, соединенные под разным углом.

Ответвление в виде изогнутой трубы переменного сечения, например, генерирует вторичный поток, меняющийся от сечения к сечению. При взаимодействии его с основным потоком формируется несколько как бы «заплетенных в косички» линий тока жидкости. Это наводит на мысль, что завихрения в потоке образуются вследствие изгиба трубы, что подтверждается снимками окрашенного потока. Скручивание линий тока жидкости наблюдается также в случае, когда ответвление присоединено к основной трубе под прямым углом. Образование крайне нестабильной вихревой структуры наблюдается и тогда, когда поток поступает с обоих концов основной трубы.

Кольцевые и подковообразные вихревые структуры, периодически образующиеся в разветвленной трубе, движутся затем вместе с основным потоком. При этом частота образования завихрений во многом зависит от объемного расхода жидкости и числа Рейнольдса (соотношения характерных сил инерции и вязкости).

Вихри в автомобильном двигателе

В последние годы исследования вихревых структур ведутся и в таком важном прикладном направлении, как усовершенствование автомобильных двигателей. Ученые пытаются увеличить эффективность сгорания автомобильного топлива за счет создания вихревых колец, благодаря которым топливо могло бы распределяться в цилиндре не так, как при обычном впрыске.

Первым потоки в поршневых цилиндрах исследовал в 1988 г. Х. Вайс из Аэродинамического института. Он создал испытательный стенд с прозрачным цилиндром, в который с помощью поршня засасывалась вода, а для наблюдения за потоком через щель открытого клапана впрыскивался флуоресцентный краситель. Результаты экспериментов показали, что на такте всасывания в цилиндре образовывались два вихревых кольца.

Позже этот эксперимент был смоделирован с помощью численных методов А. Абдельфаттахом, коллегой Вайса. Еще через несколько лет Абдельфаттаху с сотрудниками удалось решить проблему более эффективного распределения топливно-воздушной смеси в цилиндре, благодаря чему расход топлива в автомобиле можно было уменьшить. К 2003 г. эта разработка была доведена до стадии промышленного использования на заводе БМВ в Мюнхене.

В заключение хочется еще раз подчеркнуть, что с вихревыми структурами нам приходится сталкиваться в самых разных ситуациях. Конечно, сегодня о вихрях мы знаем далеко не все, и их исследования будут продолжаться многие годы. Тем не менее сведения, почерпнутые из этой статьи, могут помочь лучше понять эти красивые и не всегда предсказуемые физические явления. Как и любое уникальное творение природы, вихри способны будоражить наше воображение и побуждать нас к поискам ответов на все новые и новые вопросы.

Автор и редакция благодарят д. ф.-м. н. В. Н. Ветлуцкого (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск) за помощь в подготовке публикации

: 11 Ноя 2006 , Загадки «ржавой» ДНК , том 12, №6

Тороидальный вихрь — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 марта 2016; проверки требуют 10 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 17 марта 2016; проверки требуют 10 правок. Образование вихревого кольца при выстреле из оружия

Тороидальный вихрь (также вихревое кольцо) — явление, при котором область вращающейся жидкости или газа перемещается через ту же самую или другую область жидкости или газа, когда картина течения принимает форму тороида (бублика). Пример этого явления — кольцо сигаретного дыма, выпускаемое курильщиком.

Вихревые кольца были впервые математически проанализированы немецким физиком Германом фон Гельмгольцем в его статье 1867 года «Об интегралах гидродинамических уравнений, которые выражают вихревые движения»^[1].

Одним из способов создания вихревого кольца может быть внедрение компактной массы быстро движущейся жидкости А в массу неподвижной жидкости B (А и B могут быть химически одной и той же жидкостью). Вязкое трение на границе между двумя жидкостями замедляет слои массы А относительно её ядра, а движение массы А вперёд формирует сзади ‘тень’ пониженного давления. Благодаря этому слои массы B огибают массу А и собираются сзади, где входят в A вслед за более быстро движущейся внутренней частью. В конечном итоге образуется полоидальный поток, который формирует вихревое кольцо.

Передний край шлейфа, который иногда называют «исходным шлейфом», как правило, имеет вихревую кольцевую структуру, равно как и кольца дыма. Движение изолированного вихревого кольца и взаимодействие двух или более вихрей обсуждаются, например, у автора учебника Батчелора^[2]

Для многих целей вихревое кольцо может быть аппроксимировано как наличие вихревого ядра небольшого сечения. Однако простое теоретическое решение, называется сферический вихрь Хилла,^[3], как известно, в которых вихрь распределяется внутри сферы (внутренняя симметрии течения, однако, до сих пор кольцевая). Такая структура или электромагнитный эквивалент был предложен в качестве объяснения внутренней структуры шаровой молнии. Например, Шафранов использовал магнитогидродинамических (МГД) аналогии с неподвижной жидкости Хилла механический вихрь рассмотреть условия равновесия осесимметричных конфигураций МГД, сводя задачу к теории стационарных потоков несжимаемой жидкости. В осевой симметрией, он считал общего равновесия для распределенных токов и заключенных под Теорема вириала, что если бы не было гравитации, ограниченная равновесной конфигурации могут существовать только при наличии азимутального тока.

Вихревое кольцо: изогнутые стрелки показывают циркуляцию потоков воздуха относительно плоскости вращения несущего винта

Состояние Вихревого Кольца (VRS, англ. Vortex ring state) является опасной ситуацией, встречающейся в полётах на вертолёте. Эффект возникает при одновременном соблюдении следующих условий во время полёта:

• высокая скорость снижения,
• низкая горизонтальная скорость полёта,
• скорость полёта меньше, чем эффективная скорость поступательного подъёма,
• большая часть имеющейся мощности несущего винта вертолёта используется для направления воздушного потока вниз, чтобы создать подъёмную силу. Режим вихревого кольца наступает, например, при резком торможении или при быстром вертикальном снижении, когда вертолёт садится в собственную струю воздуха.

Поток воздуха, который движется вниз через винт, заворачивается наружу, потом поднимается вверх, засасывается внутрь и снова идёт вниз через винт. Эта рециркуляция потока может свести на нет большую часть подъёмной силы и привести к катастрофической потере высоты. Применение большей мощности (увеличение угла атаки) увеличивает поток воздуха вниз, в котором происходит снижение, что только усугубляет ситуацию. Для выхода из такого состояния необходимо вывести вертолёт из вихревой зоны «на чистый воздух».

Вихревые кольца в левом желудочке сердца[править | править код]

Одним из самых важных жидкостных явлений, наблюдаемых в левом желудочке во время сердечной релаксации (диастолы), является вихревое кольцо, которое развивается с сильным реактивным потоком, проходящим через митральный клапан. Наличие этих потоков структур, которые развиваются во время сердечной диастолы первоначально признанной в пробирке визуализации желудочков поток^[4][5] и впоследствии усилен на основании анализа на основе цветового допплеровского картирования (УЗИ)^[6][7] и магнитно-резонансной томографии.^[8][9] Некоторые недавние исследования^[10][11] также подтвердили наличие вихревого кольца во время быстрого заполнения фазы диастолы и предполагают, что процесс образования вихревых колец может повлиять на динамику митрального кольца.

Своего рода азимутальная лучистая симметричная структура наблюдалась Maxworthy^[12], когда вихревое кольцо двигалось с критической скоростью, которая находится между турбулентным и ламинарным состояниями. Позже Хуан и Чан^[13] сообщили, что если начальное состояние вихревого кольца не идеально круглое, будет происходить нестабильность другого рода. Эллиптическое вихревое кольцо совершает колебания, при которых оно сначала растягивается в вертикальном и сжимается в горизонтальном направлениях, затем проходит через промежуточное состояние, где оно круглое, после чего деформируется в обратном порядке (растягивается в горизонтальном направлении и сжимается в вертикальном), прежде чем обратить вспять процесс и возвратиться к исходному состоянию.

Пример получения тороидального вихря в домашних условиях[править | править код]

При равномерном нагреве тонкого слоя силиконового масла, перемешанного с алюминиевыми хлопьями и разлитого на плоскости, можно получить тороидальные вихри, представляющие собой ячейки Бенара. Эти ячейки возникают за счет тепловой конвекции, идущей от равномерно нагретой медной плоской поверхности вверх через центр каждой ячейки и затем вниз по краям контакта со смежными ячейками. Ячейки образуют гексагональную (сотовую) структуру с регулярным шагом и плотно заполняют поверхность. Каждая ячейка является тороидальным вихрем, ось вращения которого находится на срединной окружности.

1. ↑ Моффат, Кит. Vortex Dynamics: Наследие Гельмгольца и Кельвина (неопр.) // IUTAM симпозиум по гамильтоновой динамике вихревых структур, турбулентность. — 2008. — Т. 6. — С. 1—10. — doi:10.1007/978-1-4020-6744-0_1. (недоступная ссылка)
2. ↑ Введение в динамику жидкости Бэтчелор Г. К., 1967, Cambridge UP
3. ↑ Хилл, MJM (1894), Фил. Trans. Рой. Soc. Лондон, Vol. 185, с. 213
4. ↑ Bellhouse, BJ, 1972, Механика жидкости модели митрального клапана и левого желудочка , сердечно-сосудистых исследований 6, 199—210.
5. ↑ Reul Х., Talukder, Н. Мюллер, В., 1981, Механика жидкости и газа природного митрального клапана, журнал биомеханики 14 361—372.
6. ↑ Ким, Вайоминг, Bisgaard Т., Nielsen, SL, Поульсен, JK, Педерсен, М., Hasenkam, JM, Yoganathan, А. П., 1994, Двумерные митральный поток профилей скорости в свиноводстве моделей с помощью доплеровского эхо эпикарда Кардиография, J Am Coll Cardiol 24, 532—545.
7. ↑ Vierendeels, Дж. Э. Дик и PR Verdonck гидродинамики цвета M-режиме доплеровского потока волн скорости V (р): компьютер исследования, J. Am. Soc. Echocardiogr. 15:219-224, 2002.
8. ↑ Ким, Вайоминг, Уокер, PG, Педерсен, М., Поульсен, JK, Oyre С., Houlind К. Yoganathan, А. П., 1995, левого желудочка кровотока модели в норме: количественный анализ трехмерного магнитного отображения резонанса скорость, J Am Coll Cardiol 26, 224—238
9. ↑ Килнер, PJ. Ян, GZ, Уилкс, AJ, Mohiaddin, RH, Firmin, DN, Якуб, MH, 2000, Асимметричная перенаправление потока через сердце, 404 природы, 759—761.
10. ↑ Kheradvar А., Милан, М., Гариб, М. корреляция между вихреобразования кольца и кольца митрального динамика во время желудочковой быстрое заполнение, ASAIO Journal, январь-февраль 2007 53 (1): 8-16.
11. ↑ Kheradvar А., Гариб, М. Влияние желудочка давлением падение на митрального кольца динамика в процессе вихреобразования кольцо, Энн Biomed Eng. 2007 декабрь;. 35 (12) :2050-64
12. ↑ Maxworthy, TJ (1972), Структура и стабильность вихревого кольца, механика жидкости. Том 51, с. 15
13. ↑ Хуан Дж. Чан, K.T. (2007) Dual-Волнообразные Нестабильность в вихревых колец, Proc. Пятый IASME / WSEAS Int. Конф. Fluid Mech. И Aerodyn., Греция

Вихревые технологии древних инженеров — К чему стадам дары свободы… — ЖЖ

Возьмите пример с Великим шёлковым путём

Великий шёлковый путь это не просто дорога от Китая в сторону Рима, а развитая сеть от Китая до Рима, из Индии в Самарканд и далее на север, вплоть до городов вдоль Итили (Волга), где цвела и развивалась Волжско-Камская Булгария. Какая-то часть Великого шёлкового пути огибала Каспий с севера и шла в крепость Дербент, а оттуда — в Причерноморье.

Вряд ли вызовет удивление факт обнаружения в древних документах или летописях упоминания о существовании «служб» ремонта и обслуживания объектов Великого торгового пути. Великий шёлковый путь, возраст которого превышал к тому времени тысячу лет, вобрал в себя всё самое наилучшее из существовавшей тогда инженерной практики.

И, может быть, главное — вызывающее восхищение умение с помощью простейших инженерно-строительных решений добывать воду из окружающей атмосферы в любом количестве и качестве. Ныне эти решения могут помочь и нам справиться с проблемой водоснабжения в любой точке нашей планеты.

Нет, автор данных строк не предлагает нечто экзотическое. Просто надо вернуться к опыту наших предков. Вот часть строки из Корана [3:113(117)] (в переводе И.Ю. Крачковского, 1963): «То, что они тратят… подобно вихрю, в котором холод: он поразил посев людей…». То есть, древний литературный памятник зафиксировал то, что за полторы тысячи лет до открытия французского инженера Ж. Ранка3 люди уже знали, что в центре вихревого потока температура газа может упасть до степени замораживания.

Одним из главных достоинств Великого шёлкового пути, величайшего в истории человечества инженерно-транспортного сооружения, были колодцы. В целях увеличения, выражаясь современным языком, полезной нагрузки караванов, инженеры сделали всё, чтобы вьючные животные не тащили на себе огромные запасы питьевой воды, кроме какого-то потребного на один переход минимума.

Вдоль пути на расстоянии в 12-15 км друг от друга были созданы колодцы, в каждом из которых имелось воды, в количествах достаточных, чтобы напоить караван в 150 — 200 верблюдов. Об этом свидетельствуют записки арабских путешественников, относящиеся к времени возникновения Халифата (VII в.).

Авторы записок создателями колодцев называют китайцев и их инженеров. Наверное, так оно и было: современный Китай, как и в древности, отдаёт предпочтение в отношениях с соседями разумной и прибыльной торговой экспансии, а не военно-политической.

Строительство дорог, хотя бы и не на своей земле, было частью такой разумной экспансии. Но не будем спешить с установлением авторства и отказывать в инженерных способностях другим древним народам.

Реконструкция колодцев Великого шёлкового пути.

На рис.1 и 2 представлены картинки реконструкции колодца в пустыне, произведённой автором данных строк по описаниям арабов. В таком колодце чистая (чистейшая!) вода добывалась непосредственно из атмосферного воздуха. Разумеется, процентное содержание водяных паров в пустынном воздухе крайне незначительно (меньше 0,01% удельного объёма).

Но, благодаря конструкции колодца, через его объём «прокачивался» пустынный воздух тысячами кубометров в сутки, и у каждого такого кубометра отнималась практически вся масса воды, содержащаяся в нём. Древние инженеры использовали вихревой эффект!

Сам колодец был наполовину своей высоты вкопан в грунт. Путешественники спускались за водой по лестницам — а таких спусков было несколько — на отмостки и черпали воду. В центре углубления для скопившейся воды возвышалась аккуратно выложенная высоким конусом груда камней (конденсатор?!).

Арабы свидетельствуют, что и скопившаяся вода, и воздух на уровне отмостков были на удивление холодными, хотя снаружи колодца стояла убийственная жара. Нижняя тыльная часть камней в груде была влажной, а на ощупь камни были холодными.

Накопление воды в колодце

К сожалению, скупость описания конусного или шатрового свода колодца не даёт чёткого представления о его конструктивных особенностях. Недостаточность информации приходится возмещать умозрительными построениями.

Стоит только обратить внимание на лёгкое удивление арабов: керамическая облицовка и в те времена была недешёвым материалом, но строители колодцев не считались с затратами, и каждый колодец имел такое перекрытие.

А ведь это делалось неспроста, поскольку материалу из глины можно было придать любую необходимую форму, затем отжечь и получить готовую деталь, способную работать в самых тяжёлых климатических условиях долгие годы.

В конусном или шатровом своде колодца (рис. 3) были выполнены радиальные каналы, прикрытые керамической облицовкой, или сама керамическая облицовка представляла собой набор деталей с уже готовыми сечениями радиальных каналов. Нагреваясь под лучами солнца, облицовка передавала часть тепловой энергии воздуху в канале. Возникало конвективное течение нагретого воздуха по каналу.

В центральную часть свода вбрасывались струи нагретого воздуха. Но как и почему появлялось вихревое движение внутри здания колодца?

Конструкция верхней части колодца

Самое первое предположение — ось каналов не совпадала с радиальным направлением. Имелся небольшой угол между осью канала и радиусом свода, то есть струи были тангенциальными. Причём строители использовали очень малые углы тангенциальности между радиусом и осью струи — не более 50.

Угловая величина в 50 довольно незначительна, невооружённым глазом её порой и не разглядеть. Вероятно, поэтому технологический секрет инженеров древности остаётся неразгаданным и по сей день.

Использование струй малой тангенциальности с доведением их числа чуть ли не до бесконечности открывает новые возможности вихревых технологий. Только не будем воображать себя первопроходцами. Инженеры в древности владели этой технологией в совершенстве.

Высота здания колодца, включая его вкопанную часть, составляла 6-8 м при диаметре здания в основании не более 6 м, но в колодце возникало и устойчиво работало вихревое образование. Охлаждающий эффект вихря использовался с очень высоким КПД. Конусная груда камней действительно исполняла роль конденсатора. Ниспадающий «холодный» осевой поток вихря отнимал тепло камней, охлаждал их.

Водяной пар, содержащийся в ничтожных количествах в каждом удельном объёме воздуха, конденсировался на поверхностях камней. Таким образом в углублении колодца шёл постоянный процесс накопления воды.

«Горячий» периферийный поток вихря выбрасывался наружу через входные проёмы лестничных спусков в колодец. Только этим можно объяснить наличие сразу нескольких спусков внутрь. Благодаря большой инерционности вращения вихревого образования, колодец работал круглосуточно.

Вода добывалась и днём, и ночью, при этом никаких видов энергии, кроме солнечной, не использовалось. Вполне возможно, что ночью колодец работал даже интенсивнее, чем днём, поскольку температура воздуха пустыни после захода солнца падает на 30-400С, что сказывается на его плотности и влажности.

Так почему бы ни воспользоваться опытом древних инженеров в условиях, когда территория пустынь общей площадью более 30 млн кв. км ежегодно расползается ещё на 210 тысяч кв. км?

Так Сахара ежегодно отнимает у людей 100 тысяч га пашни и выпасных угодий; пустыня Атакама движется со скоростью 2,5 км в год, пустыня Тар — 1 км в год. Естественно, движение пустынь вызывает рост миграционных людских потоков. За всё надо платить. В том числе, за антропогенное воздействие на чрезвычайно хрупкую экосистему пограничных с пустынями зон.

Как утверждал Л.Н. Гумилёв, 15 тысяч лет назад пустынь не было вовсе. Имея колоссальное преимущество перед технологическими возможностями древних строителей в виде обеспеченности лёгкими, прочными и сравнительно дешёвыми материалами, мы могли бы осуществить обратное антропогенное воздействие на пустыни и заставить их работать на нашу цивилизацию.

Широкое применение данная древняя вихревая технология может найти в конструкциях естественных вододобывающих станций, то есть такая станция будет работать, используя только даровую солнечную энергию.

Вододобывающая станция (ВДС) формируется из тонколистового металла и металлопроката, свод набирается из коробов. Опыта строительства таких конструкций нам не занимать — достаточно взять за основу всевозможные хранилища нефтепродуктов. Оптимальные размеры будут определены в ходе испытаний первых образцов.

Готовая станция на месте собирается и монтируется в считанные дни и потребует лишь небольшого объёма землеройных работ, включая прокладку водопровода к месту потребления или сбора воды. В качестве основного материала конденсатора могут быть использованы хорошо зарекомендовавшие себя кольца Рашига4.

ВДС выгодно строить и во многих южных и степных регионах России, в Приморье Дальнего Востока. Только работать они будут менее четверти года. В засушливый год — несколько дольше. По сути своей, одна такая станция будет равноценна лесной роще площадью в 2-3 га.

Известно утверждение В. Шаубергера5, проделавшего путь от австрийского лесника до блестящего инженера и физика, о том, что зрелый лес на равнинах умеренной широты способствует увлажнению воздуха и почвы благодаря множеству слабых вихревых воздушных потоков, рождающихся в нём. Родники, болота, ручейки, стекающиеся далее в речушки и реки, существуют только благодаря наличию зрелых лесных массивов.

Надо беречь пресную воду как долговременный капитал, не пуская его на распродажу. Надо спешно разрабатывать и торговать технологиями и оборудованием генерации воды. У нас имеется опыт предков, и этого вполне достаточно. Нам, как воздух, нужна разумная и прибыльная промышленная — в инновационном смысле — экспансия. Для начала хотя бы на юге, в Средней Азии, в пустынях наших бывших соседей по Союзу. Строительство каскада ВДС вдоль иссыхающих рек — не благотворительность, а изначально самоокупаемая и взаимовыгодная акция.

Данная древняя технология должна также привлечь внимание специалистов от архитектуры. Они стремятся строить здания с всё увеличивающимися площадями оконных проёмов. Стекла в конструкциях зданий всё больше и больше.

Но такие здания в жаркую солнечную погоду становятся парниками. Количество и мощность кондиционеров растёт, и в жару энергосети городов оказываются более перегруженными, нежели в 30-градусные морозы. А почему бы ни практиковать опыт инженеров древности?

Ведь использовать летом солнечную энергию для производства хорошо увлажнённого и холодного воздуха для кондиционирования зданий-«стекляшек» давно пора хотя бы из-за дороговизны электроэнергии. Надстроить на крыше здания лёгкую и сравнительно дешёвую конструкцию естественного кондиционера — что может быть проще?

В романе «Собор Парижской Богоматери» есть глава «Вот это убьёт то», в которой Виктор Гюго изумительно красиво и по-французски изящно излагает свой взгляд на архитектуру, зодчество, как на способ увековечить человеческую мысль в камне, в строении, в очертаниях здания. Если следовать ему, то стремление строителей Востока к округлым, цилиндрическим и сферическим формам, в отличие от строителей Запада, тяготевших к кубическим и прямоугольным, было далеко не случайным.

Не зря историки математики утверждают, что число π в гораздо большей степени было востребовано на Востоке, нежели на Западе. Строители знали о «холодящем» эффекте закрученного потока и очень широко использовали его, в том числе в строительстве зданий и дворцов. Ну, неужели кто-то всерьёз полагает, что спасением от убийственной жары были только тень и опахало! Комфорт внутри зданий восточные зодчие создавать умели. Неплохо было бы и нам использовать этот опыт.

В заключение не будет лишним процитировать высказывание В. Шаубергера: «Решив проблему генерации воды и сделав возможным получение любого объёма и любого качества воды в каком угодно месте, человек вновь освоит огромные пустынные земли и понизит тем самым как продажную цену продовольствия, так и продажную цену машинных мощностей до такого минимума, что отпадёт всякая выгода спекуляции этим.

Обилие продовольствия и экономичная производительность машин являются такими сокрушительными доводами, что общее представление о мире, а также всё мировоззрение претерпят изменения».

—————————

1 Гумилёв Лев Николаевич (1912-1992), российский историк, географ, доктор исторических (1961) и географических (1974) наук, академик РАЕН (1991). Создатель учения о человечестве и этносах как биосоциальных категориях; исследовал биоэнергетическую доминанту этногенеза (назвал её пассионарностью). Труды по истории тюркских, монгольских, славянских и других народов Евразии.

2 Яса — название уложения Чингисхана, которое он, по преданию, издал на великом всемонгольском курултае и которое постоянно подтверждалось его преемниками.

3 Эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect — эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный охлаждённый поток, причём вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х гг. при измерении температуры в промышленном циклоне. В конце 1931 г. Ж. Ранк подаёт заявку на изобретенное устройство, названное им «вихревой трубой» (в литературе встречается как труба Ранка). Получить патент удаётся только в 1934 г. в Америке (Патент США No 1952281).

4 Рашиг Фридрих (1863-1928), немецкий химик-технолог и промышленник. Предложил (1890) способ фракционной дистилляции органических веществ в колоннах, заполненных керамическими кольцами (кольца Рашига).

5 Виктор Шаубергер (1885-1958) родился в Австрии. Первые упоминания о его деятельности относятся к началу 20-х гг., когда Шаубергер, работая егерем в лесозаготовительной компании, спроектировал и смонтировал водные желоба со спиральными насечками, подобными орудийным. Когда бревна падали в желоба, они вращались вокруг своей оси, что увеличивало их скорость перемещения. В 1930-м г. Шаубергер спроектировал электрогенератор, турбина которого принципиально отличалась от конструкции обычных водяных турбин.

Генератор был установлен вблизи лесопилки и успешно использовался в течение 3 лет, но конкретных сведений о его работе не сохранилось. В начале Второй мировой Виктор Шаубергер был интернирован в нацистский концентрационный лагерь, где был привлечён к работе над летающим «Диском Белонце», предложив для него оригинальный вихревой двигатель.

Хамзя Умяров

2008 г.

(Из журнала ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 2008 08).

***

Вихрь (гидродинамика) — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 марта 2019; проверки требуют 3 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 марта 2019; проверки требуют 3 правки. У этого термина существуют и другие значения, см. Вихрь.

Вихрь — вид течения сплошной среды.

Представляет собой особое течение, при котором поток совершает вращение вокруг воображаемой оси, прямой или изогнутой. Такой тип движения называется вихревым.

Вихревые движения широко распространены в жидкостях, газообразной среде и в плазме — дымовые кольца, водовороты в реках, например, вызываемые веслами при гребле, особые мощные ветра — торнадо и смерчи и т. д.. Вихри образуют пролетающие самолёты, проезжающие автомобили, вихри сходят с обдуваемых ветром зданий, вихри дают характерные особенности в атмосферах планет, например Большое красное пятно Юпитера, гигантский гексагон на полюсе Сатурна. Циркуляция в океане также представляет систему вихрей. Общая циркуляция атмосферы есть ничто иное, как самоорганизованная система циркуляционных ячеек — вихрей в вертикальной и горизонтальной плоскостях. И Солнечная система и спиральные галактики — всё это вихри.

Вихри являются основным компонентом турбулентного течения. При отсутствии внешних сил и термической неоднородности вязкое трение в жидкости, как правило, со временем погасит вихри.

В вихре скорость течения наибольшая вблизи оси вихря и убывает обратно пропорционально расстоянию от неё. Завихренность (ротор скорости) очень высока в области, окружающей ось, и почти нулевая в остальной части вихря; то время как давление резко падает по мере приближения к оси. После образования вихри могут перемещаться и взаимодействовать в сложных отношениях. Движущийся вихрь несет в себе некоторую энергию и массу. В стационарном вихре линии тока замкнуты. В движущихся или развивающихся вихрях линии тока, как правило, образуют спирали.

Количественные характеристики вихревого движения дает завихренность: rot⁡V=[∇,V]=|exeyez∂∂x∂∂y∂∂zVxVyVz|{\displaystyle \operatorname {rot} \mathbf {V} =[\nabla ,\mathbf {V} ]=\left|{\begin{matrix}\mathbf {e} _{x}&\mathbf {e} _{y}&\mathbf {e} _{z}\\{\frac {\partial }{\partial x}}&{\frac {\partial }{\partial y}}&{\frac {\partial }{\partial z}}\\V_{x}&V_{y}&V_{z}\\\end{matrix}}\right|} — ротор

Движение, подобное вращению твердого тела: завихренность повсюду ω→vorticity=vθr+dvθdr=2ω→ang.velocity{\displaystyle {\vec {\omega }}_{vorticity}={\frac {v_{\theta }}{r}}+{\frac {dv_{\theta }}{dr}}=2{\vec {\omega }}_{ang.velocity}}

Изолированный вихрь: завихренность только в центре, в остальных точках поля течения отсутствует ω→vorticity=vθr+dvθdr=0{\displaystyle {\vec {\omega }}_{vorticity}={\frac {v_{\theta }}{r}}+{\frac {dv_{\theta }}{dr}}=0}

• Вилля Г. Теория вихрей. Перевод с французского. М.-Л.: ОНТИ, 1936.— 251 с.
• Бэтчелор Дж., Моффат Г., Сэффмен Ф. и др. Современная гидродинамика. Успехи и проблемы: Пер. с англ. 1984.— 504 с.

Виктор Шаубергер — идеи, открытия, изобретения

Человек, обогнавший время

Виктор Шаубергер — идеи, открытия, изобретения

Виктор Шаубергер (1885-1958) — австрийский ученый, автор наиболее фундаментальных открытий XX столетия, подаривший человечеству совершенно новые, безграничные источники энергии.

Как часто гениальные идеи и выдающиеся изобретения не находят понимания среди современников. И только по прошествии десятилетий они становятся востребованными. Остается либо сожалеть о потерянном времени, либо наверстывать упущенное.
Научные открытия Виктора Шаубергера до сих пор будоражат умы приверженцев идеи свободной энергии. И в этом нет ничего удивительного. Ведь некоторые уникальные проекты ученого и сегодня граничат с научной фантастикой. Но все же многие из них были реализованы, чему есть документальные подтверждения и свидетельства очевидцев.
На сегодняшний день уже не вызывает сомнений, что в 30 – 40 годах в Германии велись интенсивные разработки летательных аппаратов, в том числе дискообразной формы, использовавших для создания подъемной силы нетрадиционные источники энергии.
Сегодня трудно с достоверностью утверждать об успешности работ немецких инженеров. Однако согласно некоторым данным к концу Второй мировой войны им все же удалось изготовить полностью функциональный летательный аппарат дискообразной формы и даже испытать его.
Речь идет о так называемом проекте Белонце, в котором предположительно принимал непосредственное участие и Виктор Шаубергер как разработчик силовой установки.

Согласно сохранившимся свидетельствам аппарат на базе двигателя Шаубергера обладал невероятными техническими характеристиками. Он набирал высоту до 15000 м при горизонтальной скорости полета 2200 км/ч. Мог зависать на лету и совершать головокружительные маневры. До наших дней аппарат не сохранился и, по словам очевидцев, был уничтожен сразу после завершения испытаний.
Но не это самое главное, намного интереснее подход ученого к возможности получения свободной энергии и его нестандартное опередившее время мышление.

Виктор Шаубергер с нескрываемой иронией относился к достижениям традиционной науки.
«Лучше бы он обратил внимание не на то, как яблоко упало вниз, а как выросла яблоня и поднялась вверх», — примерно так отзывался Шаубергер об открытии Ньютоном закона гравитации.
В этом высказывании очень четко прослеживается понимание ученого того, что наша цивилизация развивается не в правильном направлении, и мир попросту самоуничтожается, идя на поводу богатых и сильных мира сего, политиков, деятелей науки.
Шаубергер предостерегал, что основной причиной гибельного пути человечества является плохая вода и применение, в качестве основного инструмента освобождения энергии, эксплозии – разрушительной для окружающей природной среды.
Шаубергер неоднократно подчеркивал важность открытого им вихревого движения воды. Ученый указывал на то, что в природном естественном потоке происходят завихрения, очищающие ее структуру. Шаубергер также установил, что вода обладает наилучшими характеристиками при температуре, равной +4°С. При более высоких значениях температуры понижается ее энергетика и значительно теряют в качестве биологические показатели. В воде начинает происходить образование патогенных микроорганизмов.
Изобретатель не имел высшего образования, никогда не удостаивался каких – либо степеней и званий, а все свои открытия сделал благодаря тому, что очень внимательно изучал происходящие процессы и движения в живой природе, черпая знания из этого источника. Виктор Шаубергер нашел способ не только очищать воду естественным путем, но и возможность использовать ее как неиссякаемый, абсолютно экологически чистый источник энергии.
Ученый говорил о воде как о живой субстанции. И действительно, именно изучение свойств воды подтолкнуло Шаубергера к созданию устройств, принцип действия которых основан на имплозии.

Гениальность идеи ученого состоит в использовании разрежения – пониженного давления как источника энергии. Он дал этой технологии название Implosion в противоположность избыточному давлению Explosion, являющемуся на сегодняшний день основной движущей силой различных двигателей и систем.
В более конкретном случае, Шаубергер под имплозией подразумевает самоподдерживающееся вихревое движение потока жидкой или газообразной среды, имеющее упорядоченное и концентрированное воздействие, сопровождающееся снижением температуры вещества, в котором они образуются.
Еще одним секретом устройств Виктора Шаубергера является использование эффекта Коанда. Это явление наглядно демонстрируется областью разрежения, возникающей над верхней частью крыла самолета при его обтекании воздушным потоком.
Одно из наиболее впечатляющих изобретений ученого, основанное на процессе имплозии, — реактивная турбина Strahlturbine.
Как известно, конструирование гидроэнергетических систем практически повсеместно связано с высотой, определяющей разницу между уровнем воды и турбины, а также количеством воды, проходящей через лопасти турбины.

Еще одна переменная этого процесса – скорость движения потока воды, которая в качестве важной составляющей при расчетах не учитывается. Ее рассматривают только как скорость, полученную в процессе освобождения давления воды, но не в качестве самостоятельного, независимого от разности уровней фактора. На сегодняшний день в устройстве гидроэнергетических установок исключается использование энергии динамического потенциала свободно текущей воды. Дамбы и плотины гасят этот естественный потенциал, останавливая водный поток и полностью его обездвиживая.
Согласно исследованиям Шаубергера энергия, присутствующая в свободном беспрепятственном движении воды, потенциально намного выше энергии, получаемой от использования давления, обусловленного разностью высоты. И неудивительно, что в мельницах и кузнечных молотах естественное течение использовалось намного чаще, чем давление, вызванное перепадом уровней.

Чтобы увеличить скорость водного потока Шаубергер применил специальную конфигурацию внутренней части трубы. Труба имела форму сужающегося конуса с винтообразными ребрами на внутренней поверхности, что позволяло превращать обычное движение воды в вихревой поток.
В патенте Щаубергера содержится два ключевых инновационных открытия, касающихся гидроэнергетических технологий.
Первое – это сама конструкция трубы, представляющая собой реактивную воронкообразную форсунку, ускоряющую движение потока посредством уменьшения пространства для прохождения воды и формирования водным потоком вихревой структуры. При этом водяному вихрю сопутствовало понижение температуры и увеличение плотности водного потока.
Другой, предложенной Шаубергом инновацией, является конструкция турбины, позволяющая достигать высоких скоростей вращения, не испытывая при этом трудностей, связанных с кавитацией, характерной для классических турбин. Устройство имело форму конуса, оснащенного спиралевидными ребрами, и обладало внешним сходством со штопором.

Турбина находилась в центре реактивного потока воды, не разрушая структуры и являясь его частью, в отличие от конструкций современных турбин, которые разрывают водный поток на множество перекрестных вихрей и деструктивных течений, способствующих потере доступной энергии, коррозии и разрушению материала лопастей турбин.
Достоверно о применении данного устройства на практике неизвестно, но вполне очевидно, что перспективы у него впечатляющие.
Не вызывает сомнений, что многие идеи Виктора Шаубергера не воплощались в жизнь и остались только на бумаге. И вполне понятно, что некоторые проекты по разным причинам потерпели неудачу в процессе реализации и до своего завершения доведены не были, либо показали свою несостоятельность.
Шаубергер не страдал мазохизмом и вполне очевидно такие провалы не афишировал, как впрочем, и не стремился во что бы то ни стало их скрыть.
Тем не менее, достоверность существования и функциональность некоторых из них сомнений не вызывает.
Наверное, наиболее простое и документально подтвержденное изобретение ученого – созданная им труба специального профиля. В обычном варианте это устройство представляет собой трубу спиральной конфигурации без дополнительных деталей и механизмов.

Тем не менее, результаты испытаний свидетельствуют о том, что при определенных скоростях потока воды гидродинамическое сопротивление трубы становится нулевым, а в некоторых случаях даже отрицательным. То есть, устройство не только не тормозит поток, а наоборот – разгоняет его.

Определенно, самым главным условием происхождения движущей силы в трубе Шаубергера является применение им циклоидальной пространственной спирали, благодаря которой происходит формирование сдвоенного потока жидкости – внутреннего осевого, продвигающегося с наибольшей скоростью, и периферического, который движется по циклоидальной траектории. Завихрения внешнего турбулентного потока выступают в роли тел качения, благоприятствующих эффективному движению центральному закрученному вокруг своей оси потоку.
Таким образом, устройство представляет собой модель мини – торнадо, в котором функцию ограничивающих стенок выполняют сжимаемые под действием атмосферного давления жгуты,

то есть миниатюрные вихревые потоки.

Именно в разделении потоков заключается секрет имплозии по Шаубергеру, которая в
процессе целого ряда переходов, сопровождаемых термоэлектрическими изменениями, преобразовывает обычную воду или воздух в мощный источник энергии.
Имплазивные вихревые процессы повсеместно существуют в живой природе. И первым обратил на это внимание именно Виктор Шаубергер.
Исследуя вихревые потоки, ученый обнаружил, что при определенной форме вихря, скорости и температуре, вихревое движение становится самоподдерживающимся и не нуждается во внешней энергии, более того, само может служить источником энергии.
Ярким примером огромной неуправляемой энергии являются смерчи. Причем они имеют электрическую природу, нижняя часть «торнадо» заряжена отрицательно, а верхняя – положительно. В результате этого явления происходит самопроизвольная концентрация энергетических потоков из рассеянного состояния в локальное — так называемая энергоинверсия.
Так что «торнадо» можно назвать реально существующим природным мотором – генератором.

Шаубергер применил этот принцип при создании роторно – вихревого двигателя,

 

 

 

 

 

 

предположительно используемого при создании немецкими конструкторами дискообразных летательных аппаратов.

Главной частью его силовой установки было рабочее колесо по форме напоминающее компрессор авиационной турбины, оснащенное спиральными лопатками, создающими при вращении эффект мини – торнадо. При этом соседние вихри имели противоположное вращение. Вырываясь из внутренней части двигателя, вихревые потоки перемещались на внутренний конус к выходному отверстию, где формировали центральный вихрь, который и являлся основной движущей силой всей конструкции. Закручивание мини — вихрей происходило за счет теплообмена в процессе прокачки воздуха из внешней среды.

Воздух в центральной части основного вихря оказывался в области принудительного разрежения, происходящего под действием центробежных сил, за счет чего наблюдалось снижение температуры с одновременным увеличением объема. Благодаря этому происходило увеличение кинетической энергии потока вдоль центральной оси двигателя. В то же время подзаряженная струя с еще большей силой воздействовала на рабочее колесо, принуждая его вращаться быстрее и создавать более интенсивный вихревой поток. Таким образом, в процессе вращения рабочего колеса осуществлялась подпитка мини – вихрей с одновременной подачей свежего воздуха, в результате чего процесс становился самоподдерживающимся. Для стартового раскручивания двигателя, предположительно, использовалась смесь воды и спирта.
В общих чертах Шаубергер так описывал принцип действия своего двигателя: «Если воде или воздуху задать циклоидальное движение под воздействием высокооборотных вибраций, то это приведет к образованию структур, состоящих из энергии или высококачественной тонкой материи, которые, левитируя с невероятной силой, способны увлечь за собой корпус двигателя или генератора.

Если эту идею доработать согласно природным законам, то может получиться идеальный самолет или универсальная подводная лодка. И все это можно осуществить с минимальными затратами на производственные материалы».
Какую движущую силу понимал Шаубергер под «левитацией», и функционировал ли такой привод в натуральную величину – достаточно спорный вопрос, однако есть достоверные свидетельства того, что испытательный образец массой 135 кг, совершив несанкционированный старт, пробил бетонную крышу лабораторного помещения, в котором проводились исследования.
После окончания Второй мировой войны к разработкам Шаубергера проявляли интерес многие государства. Но сам ученый, понимая, для каких целей могут быть использованы его открытия, придерживается убеждения, что время для этого еще не наступило, поскольку вся информация о них будет тут же засекречена с целью получения каких – либо преимуществ в новом мировом противостоянии, а человечеству пользы от этого не будет никакой.
Шаубергер предпочел оставаться независимым исследователем и распоряжаться самостоятельно результатами своих научных изысканий.
Последним изобретением ученого является «домашний генератор», над которым он работал в середине пятидесятых годов.

История «домашнего генератора» Шаубергера непроста и неоднозначна как, впрочем, и многих других его изобретений. Существуют свидетельства, что первый функционирующий экземпляр устройства был за долги конфискован налоговой службой.
Позже были построены еще три или четыре варианта «домашнего генератора», но сыну Шаубергера — Вальтеру не удалось запустить ни одного из них. Присутствует мнение, что Вальтер сделал это намеренно и таким образом решил освободиться от навязчивого внимания различных «заинтересованных» персон, продемонстрировав, что секреты отца ему неизвестны.
Тем не менее, Вальтер Шаубергер активно участвовал в создании опытного образца «имплозионной гидротурбины» Леопольда Шерью, прототипом которой являлся «домашний генератор» В. Шаубергера.

В общих чертах принцип действия «имплозионной гидротурбины» Леопольда Шерью заключается в следующем.
Через вентиль подачи вода поступает в резервуар. При этом вентиль регулировки доступа находится в закрытом положении. Затем открывается всасывающий воздушный вентиль, и турбина раскручивается при помощи дополнительного двигателя. При этом воздух засасывается спиралевидными трубами и, проходя верхний распределитель, выдавливается через форсунки в заполненную водой емкость. Под действием возникающего в процессе работы избыточного давления закрывается воздушный клапан и начинает медленно открываться водяной впускной клапан. При запирании воздушного клапана в спиралевидных трубах и подающей трубе верхнего распределителя создается вакуум. Вода направляется к входным отверстиям основания и поднимается через подающую трубу в верхний распределитель. Из распределителя вода попадает в спиралевидные трубы и под большим давлением устремляется вниз к форсункам. Выходящий из форсунок поток воды, попадая на лопатки кольца, вызывает отдачу в ротор и приводит его в движение. Таким образом, возникающая сила отдачи преобразует волну посредством ротора в механическую энергию.
Шаубергер неоднократно обращал внимание на то, что в его устройствах вода и другие вещества подвергаются химическим изменениям. Более того, некоторые приборы он разрабатывал с целью продемонстрировать свои предположения. При этом он подчеркивал, что в его конструкциях происходят не только химические, но и атомные преобразования.

Объяснить с точки зрения классической физики преобразования в структуре воды, которая, по свидетельствам очевидцев, пробивала бетонную плиту и стальной лист, просто невозможно. Вполне вероятно, здесь идет речь о тех свойствах вещества, которые были известны одному лишь Шаубергеру.
Виктор Шаубергер и его изобретения остаются загадкой и сегодня. И для того, чтобы во всей полноте увидеть механизм работы его устройств, скорее всего, нужно абстрагироваться от привитых нам понятий и правил, прислушаться к законам природы, дающим почву для новых идей и совершенно иного восприятия окружающей нас реальности.