Гипотеза противотока в вихрях

Вихревое движение содержит в себе столько неизученного, что работы хватит еще не одному поколению теоретиков и экспериментаторов. И в то же время вихревое движение является, по-видимому, самым распространенным в природе видом движения. Действительно, все те тела (планеты, звезды, электроны в атоме и др.), о которых мы в разделе 4.1 писали, что они совершают круговое движение, обычно еще и движутся поступательно. А при сложении их вращательного и поступательного движений получается движение по спирали.
Существуют два основных вида спиралей: цилиндрические винтовые, о которых мы говорили в разделе 4.3, и спираль Архимеда, радиус витков которой возрастает с числом витков. Такой вид имеют спиральные галактики - самые большие вихри в природе.
А суперпозиция вращательного движения по спирали Архимеда и поступательного движения вдоль ее оси дает еще и третий вид спирали - коническую. По такой спирали движется вода, вытекающая из ванны в трубу в ее днище, и воздух в смерче. По такой же конической спирали движется газ в технических циклонах. Там с каждым оборотом радиус траектории частиц уменьшается.

Рис. 6.6. Профиль скоростей свободных затопленных струй различной степени крутки [88]:
а - прямоточная струя; б - слабо закрученная струя; в - умеренно закрученная струя; г - сильно закрученная сомкнутая струя; д - сильно закрученная разомкнутая струя; а - стенка; b - отверстие в стенке; с- границы струи; d - профиль скорости на различных расстояниях от стенки; е - ось струи; [У- аксиальная скорость.

А вот в вихревом охладителе Финько, имеющем коническую вихревую трубу, периферийный поток газа движется по расширяющейся конической спирали, а встречный осевой поток - по сужающейся. Такую конфигурацию потоков в ВТ и техническом циклоне определяет геометрия стенок аппаратов.
При рассмотрении в разделе 6.2 вихревой трубы мы писали, что обратный осевой поток в ней возникает, когда выход газу через дальний (горячий) конец трубы частично перекрыт, и в ней создается избыточное давление, заставляющее газ искать второй выход из трубы. Такое объяснение возникновения встречного осевого потока в ВТ на сегодняшний день является общепринятым [82].
А вот специалисты по закрученным струям, широко используемым, например, для создания факелов в горелках теплоэнергетических установок, отмечают, что противоток по оси закрученной струи возникает и при отсутствии стенок аппарата. Исследование профилей скоростей свободных затопленных струй (см. рис. 6.6) показывает, что обратное осевое течение возрастает с увеличением степени крутки струи [88].
Физическая причина возникновения противотока так и не выяснена. Большинство специалистов полагают, что он появляется потому, что с увеличением степени крутки струи центробежные силы отбрасывают частицы ее газа к периферии, в результате его у оси струи создается зона разрежения, куда устремляется атмосферный воздух,
находящийся впереди по оси струи.
Но вот в работах [89, 90] показано, что обратный поток связан не столько с градиентом статического давления в струе, сколько с соотношением тангенциальной и аксиальной (осевой) составляющих ее скорости. Например, струи, сформированные завихрителем с тангенциальным лопаточным аппаратом, при угле наклона лопаток 40-45° имеют в приосевой области большое разрежение, но не имеют обратных потоков. Почему их нет - остается загадкой для специалистов.
Попробуем разгадать ее, вернее, по-другому объяснить причину появления осевых противотоков в закрученных струях.
Как мы уже неоднократно отмечали, сбрасывание из системы, приводимой во вращение, "лишней" массы-энергии легче всего осуществлять излучением фотонов. Но это не единственный из возможных каналов. Можно предложить еще следующую гипотезу, которая некоторым механикам поначалу покажется невероятной.
Путь к этой гипотезе был долог и пробивался не одним поколением физиков. Еще Виктор Шаубергер - гениальный австрийский самородок, лесник, на досуге занимавшийся физикой, много времени посвятивший в 20-е годы осмыслению вихревого движения, заметил, что при самопроизвольном раскручивании воды, вытекающей в трубу из ванны, время опорожнивания ванны уменьшается. А это значит, что в вихре возрастает не только тангенциальная, но и осевая скорость потока. Кстати, этот эффект давно подметили и любители пива. На своих соревнованиях, стремясь как можно быстрее отправить содержимое бутылки в рот, они сначала обычно сильно раскручивают пиво в бутылке, прежде чем ее запрокинуть.
Мы не знаем, любил ли Шаубергер пиво (какой австриец его не любит!), но этот парадоксальный факт он пытался объяснить тем, что в вихре в кинетическую энергию осевого движения струи превращается энергия теплового движения молекул в ней. Он указывал, что хотя такое мнение противоречит второму началу термодинамики, но другого объяснения не найти, а снижение температуры воды в водовороте -экспериментальный факт.
Исходя из законов сохранения энергии и импульса, обычно полагают, что при закручивании струи в продольный вихрь часть кинетической энергии поступательного движения струи превращается в энергию ее вращения, и думают, что в результате аксиальная скорость струи должна уменьшаться. Это, как утверждают, например, в [88], должно вести к уменьшению дальнобойности свободных затопленных струй при их закручивании.
Более того, в гидротехнике обычно всячески борются с завихрениями жидкости в устройствах для ее перелива и стремятся обеспечить безвихревое ламинарное течение. Обуславливают это тем, как рассказывается, например, в [91], что появление вихревого шнура в потоке жидкости влечет за собой образование воронки на поверхности жидкости над входом в сливную трубу. Воронка начинает энергично засасывать воздух, попадание которого в трубу нежелательно. Кроме того, ошибочно полагают, что появление воронки с воздухом, уменьшающее долю сечения входного отверстия, занятую жидкостью, уменьшает и расход жидкости через это отверстие.
Опыт любителей пива показывает, что ошибаются те, кто так думает: несмотря на уменьшение доли сечения отверстия, занятой потоком жидкости, последняя при вращении потока вытекает через отверстие быстрее, чем без вращения.
Если Л. Гербранд, о котором мы писали в разделе 3.4, стремился достичь увеличения мощности гидроэлектростанций только путем спрямления потока воды к турбине и постепенного сужения водовода, с тем чтобы вода приобрела как можно большую скорость поступательного движения, то Шаубергер снабдил сужающийся водовод еще и винтовыми направляющими, закручивающими поток воды в продольный вихрь, а в конце водовода он помещает осевую турбину принципиально новой конструкции. (Патент Австрии №117749 от 10.05.1930 г.)
Особенностью этой турбины (см. рис. 6.7) является то, что она не имеет лопастей, которые в обычных турбинах пересекают поток воды и, разрывая его, затрачивают при этом много энергии впустую на преодоление сил поверхностного натяжения и сцепления молекул воды. Это ведет не только к потерям энергии, но и к появлению кавитационных явлений, обуславливающих эрозию металла турбины.
Турбина Шаубергера имеет коническую форму со спиралеобразованными лезвиями в виде штопора, ввинчивающегося в закрученный поток воды. Она не рвет поток и не создает кавитацию. Неизвестно, была ли такая турбина где-либо реализована на практике, но в ее схеме, безусловно, заложены очень перспективные идеи.
Однако нас интересует здесь не столько турбина Шаубергера, сколько его утверждение о том, что энергия теплового движения молекул воды в вихревом потоке может трансформироваться в кинетическую энергию потока воды. В этом отношении наиболее интересны результаты опытов, поставленных в 1952 г. В. Шаубергером вместе с профессором Францем Попелем в Техническом колледже Штутгарта, о которых рассказывает в [92] Йозеф Гассльбергер из Рима.
Исследуя влияние формы канала водовода и материала его стенок на гидродинамическое сопротивление закрученному потоку воды в нем, экспериментаторы обнаружили, что лучшие результаты достигаются при медных стенках. Но самое удивительное, что при конфигурации канала, напоминающей рог антилопы, трение в канале с увеличением скорости воды уменьшается, и после превышения некоторой критической скорости вода течет с отрицательным сопротивлением, то есть засасывается в канал и ускоряется в нем [92].

Рис. 6.7. Турбина Шауберга

Гассльбергер согласен с Шаубергером, что тут вихрь трансформирует тепло воды в кинетическую энергию ее потока. Но отмечает, что "термодинамика, как обучают в школах и университетах, не разрешает такого преобразования теплоты при низких разностях температур". Однако, указывает Гассльбергер, современная термодинамика не способна объяснить и многие другие природные явления [93].
И вот тут-то теория движения может помочь понять, почему вихревое движение обеспечивает, казалось бы, вопреки сложившимся представлениям термодинамики, превращения тепла закручиваемого потока вещества в энергию его аксиального движения в соответствии с формулой (6.4). Закручивание потока в вихре заставляет часть тепла, являющегося частью внутренней энергии системы, преобразовываться в кинетическую энергию поступательного движения потока вдоль оси вихря. Почему именно вдоль оси? Да потому, что тогда вектор скорости приобретаемого поступательного движения оказывается перпендикулярным к вектору мгновенной тангенциальной скорости вращательного движения частиц в потоке и не меняет величины последней. При этом соблюдается закон сохранения момента количества движения потока.
Кроме того, ускорение частиц в направлении, перпендикулярном к направлению их основного (кругового) движения в вихре, ведет к релятивистскому возрастанию их поперечной, а не продольной массы. О необходимости раздельного учитывания поперечной и продольной масс элементарных частиц*(Это напоминает раздельное вычисление продольного и поперечного эффекта Доплера.) много писали в начальном этапе становления СТО (см., например, [94].) А именно продольная масса (соответствующая в данном случае тангенциальной скорости движения частиц в вихре) определяет величину центробежных сил при круговом движении. При превращении части внутренней энергии системы в кинетическую энергию аксиального (осевого) движения тел в ней центробежные силы не возрастают. Поэтому энергия возникающего аксиального движения оказывается как бы ушедшей из задачи о круговом движении, что математически равнозначно уходу ее из вращающейся системы без какого-либо излучения фотонов.
Но закон сохранения импульса системы требует, чтобы в случае приобретения вихревым потоком аксиального импульса какое-то другое тело (например корпус вихревого аппарата) одновременно приобретало такой же по абсолютной величине импульс в противоположном направлении. В замкнутых вихревых аппаратах, например в вихревых трубах, а также когда контакт вихревого потока со стенками аппарата отсутствует (как в некоторых случаях свободных закрученных струй) обратный импульс вынуждена приобретать осевая часть потока, имеющая меньшую тангенциальную скорость, чем периферийная часть. Впрочем, импульс отдачи может уноситься и аксиальным (осевым) потоком фотонов или нейтрино, рождаемых при вращательном движении, о чем пойдет речь в одиннадцатой главе.
Такова в общих чертах истинная, с нашей точки зрения, причина появления противотока как в вихревых трубах, так и в закрученных струях.