Экспериментальное подтверждение телескопической структуры ламинарного потока

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 532.5.01

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЛАМИНАРНОГО ПОТОКА

А.В. Косарев,

член АН Векторной энергетики, г. Оренбург

Содержание статьи

В [1] предложен новый подход к решению задачи гидродинамической турбулентности вязкой жидкости. В основе этого подхода лежит предположение о телескопической структуре слоистости ламинарного потока. Сегодня в гидродинамике принято считать, что скорость ламинарного потока в поперечном сечении изменяется непрерывно от нуля у стенки до максимальной по оси трубы и имеет форму параболы (пунктирная линия на Рис. 1).

Рис. 1

Причем по мере увеличения перепада давления и числа Рейнольдса парабола все более вытягивается. Но если скорость потока в сечении меняется непрерывно, то ламинарные слои по сечению должны иметь микроскопические размеры, а жидкость должна постоянно растягиваться во всей своей массе, что сопряжено с большими затратами энергии. Было высказано предположение, что ламинарный поток имеет макроскопические размеры слоёв и соответственно слоистую структуру скорости (на Рис. 1 жирная ступенчатая линия). Центральный слой имеет максимальную скорость, затем по мере удаления слоя от центра к стенке скорость слоёв снижается скачками и скорость слоя, непосредственно контактирующего со стенкой равна нулю. В самом слое частицы жидкости движутся с равными скоростями. Структура ламинарного потока напоминает телескопическую конструкцию, в которой элементы движутся с различными скоростями, от покоящегося внешнего элемента (пристенный слой), до, наиболее быстро движущегося, внутреннего.

Встал вопрос об экспериментальном доказательстве высказанного предположения. Литературный поиск показал, что такие доказательства получены океанологами уже несколько десятилетий назад. Теоретическая гидродинамика почему-то оставила это открытие без внимания. Рассмотрим эти доказательства.

Научное открытие "Явление тонкослойного движения вод открытого океана".

Авторы: А.С. Монин, К.Н. Фёдоров, В.П. Шевцов.

Номер и дата приоритета: № 240 от 23 мая 1972 г.

Формула открытия: "Экспериментально установлено неизвестное ранее явление тонкослойного движения вод открытого океана, заключающееся в том, что в расслоенной по плотности толще вод открытого океана происходит различное по скорости и/или направлению перемещение тонких (порядка 10-30 м) смежных по вертикали слоев воды".

Описание открытия: "Впервые слоистую структуру океанских вод обнаружили в 1971 году советские ученые на научно-исследовательском судне "Дмитрий Менделеев" в Индийском океане. Затем элементы такой микроструктуры находили во многих районах. Выяснилось, что везде в океане вся водная масса от поверхности до больших глубин разделена на тонкие однородные слои. Разница в температуре между соседними горизонтальными слоями составляла несколько десятых градуса. Сами слои имеют толщину от десятков сантиметров до десятков метров. Ученых поразило то, что при переходе из слоя в слой температура воды, её соленость и плотность менялись резко, скачкообразно, а сами слои устойчиво существуют иногда несколько минут, а иногда несколько часов и даже суток. А в горизонтальном направлении такие слои с однородными параметрами простираются на расстояние до десятка километров.

Дальнейшее изучение тонкослойной структуры показало, что и глубинные течения в открытом океане также имеют слоистую структуру. Течение остается постоянным в пределах слоя толщиной от 10 см до 10 м, затем его скорость скачкообразно меняется при переходе к соседнему слою и т. д. Проверочные замеры, проводившиеся российскими, а затем и зарубежными специалистами, давали всегда неизменный результат - устойчивая слоистость сохранялась несмотря на динамику океана - волны, поверхностные и подводные течения, которые перемешивают водные массы".

Из описания открытия ясно следует слоистость структуры течений и эпюры скоростей слоёв течений. Особенность океанических течений их огромные размеры в сравнении с размерами экспериментальных потоков в гидродинамике. В гидродинамике толщины слоёв относительно малы из-за малости поперечных размеров потоков и коль скоро не было теоретической потребности в необходимости обоснования слоистости скорости, то её и не определяли целенаправленно. Если кто и замечал какие-то скачки, то видимо относил это к погрешности измерения. В океанологии замеры по глубине производятся с целью определения слоистости по температуре, солёности, плотности. Увеличение точности замеров и привело к открытию слоистости скорости в пределах слоёв солёности и температуры. То, что "слои устойчиво существуют иногда несколько минут, а иногда несколько часов и даже суток", а не постоянно, объясняется особенностью океанических течений. Океанические течения по физическим условиям, существующим в океане, преимущественно турбулентны. Поэтому ламинарное течение и слоистость возникают в периоды перемежаемости, которые ограничены по времени.

На Рис. 2 показан экспериментальный вертикальный профиль температуры. Рисунок взят из [4].

Рис. 2

На рисунке видна чёткая ступенчатая форма изменения температуры по вертикали. "Тонкая структура обнаружена не только в термоклине, но и на больших глубинах, а также в верхнем перемешанном слое океана. Таким образом, традиционное представление о плавности вертикального изменения физических характеристик в океанах и морях, господствовавшее в физической океанологии в течение многих десятилетий, уступило место ясному пониманию того факта, что тонкослоистая структура - естественная форма существования движущейся стратифицированной среды, каковой являются воды Мирового океана". [4].

Ступенчатое изменение физических характеристик в океанах с глубиной легко объясняется телескопической структурой ламинарного потока. Причём ступенчатое изменение физических характеристик должно наблюдаться не только с глубиной, но и по горизонтальным сторонам от оси потока. Если в термоклине или в солёном слое нет ламинарного потока, то физические характеристики в слое по вертикали действительно меняются плавно. Но когда в термоклине или солёном слое присутствует ламинарное течение, то последнее формирует телескопическую структуру. Так как в телескопической структуре скорости в каждом слое свои и постоянны, то за счёт диффузии в пределах одного слоя физические характеристики выравниваются, а в межслое наблюдается скачок.

Несколько лет назад мною была предпринята попытка зафиксировать телескопическую структуру ламинарного потока в эксперименте. Экспериментальная установка изображена на Рис. 3. На рисунке: 1 - запорное устройство на подаче воды; 2 - поливочный шланг от запорного устройства к каналу - 5. В канале - 5 наблюдался ламинарный поток. Канал имел круглую форму и длину около 4-х метров.

Рис. 3

Канал набирался из цилиндрических частей прозрачных пластиковых 1,5 литровых бутылок. Цилиндры между собой скреплялись липкой лентой (скотчем). Открытием запорного устройства в канале создавались условия для ламинарного течения. Для наблюдения за ступенчатой телескопической структурой ламинарного потока использовалось устройство из резиновой груши - 4, заполненной подкрашенной чернилами водой и трубки - 3 с мелкими отверстиями вдоль трубки по течению потока. Устройство изображено на Рис. 4, где позицией - 6 обозначены отверстия в трубке - 3. При резком нажатии на грушу - 4 из отверстий - 6 вытекала подкрашенная жидкость и в среде ламинарного потока вдоль трубки - 3 возникала подкрашенная полоска. Если скорость по сечению потока меняется параболически, то из подкрашенной полоски должна формироваться парабола, которая по течению должна постоянно вытягиваться. Если поток имел ступенчатую структуру, то из подкрашенной полоски должна возникнуть ступенчатая структура, которая по течению также должна вытягиваться.

Рис. 4

Рис. 5

Я не получил убедительных результатов. Структура не была ступенчатой, но не была и параболической. Получилось, что в канале перемещался как бы единый слой с одинаковой скоростью. Это можно объяснить тем, что из-за малого напора в водопроводной сети на дачном участке (малого перепада давлений по концам ламинарного потока) слои возникли только возле стенки и были очень тонкими. К тому же тонкая подкрашенная полоска в круглом сечении канала подвергалась сильному размыванию диффузией, что искажало картину. Я не решился публиковать результаты, так как оппоненты всегда могут сказать, что автор увидел то, что хотел увидеть. Я тогда ещё не был знаком с [3 и 4]. Но неудача побудила задуматься о причинах и усовершенствовать установку. Во-первых, для избежания негативного влияния диффузии поперечное сечение канала нужно изготовить не круглой формы, а прямоугольной как на Рис. 5. Тогда диффузия будет малозаметна, и ступени вдоль длинной стороны сечения будут большими, в сравнении со ступенями по узкой стороне. Во-вторых, нужно использовать более вязкую жидкость. Например, растительное или турбинное масло. Тогда при заданном напоре будет формироваться меньше слоёв и ступени будут заметнее. Каналы на Рис. 5 не представляют проблемы. Самой различной формы их изготовляют для пластиковых окон. Но этот эксперимент пока только в задумке.

телескопическая слоистость гидродинамическая турбулентность

Литература

1. Косарев А.В. Подход к решению задачи гидродинамической турбулентности вязкой жидкости методами динамики эволюции. // Научные труды 14-й Межвузовской Российской научной конференции "Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах". Балаково, Из-во СООО "АН ВЭ", 2013г., с. 136-156. http://new-idea.kulichki.net/ pubfiles/140325172926.doc.

2. Косарев А.В. Реакция мирового океана на суточное вращение и нутацию Земли. // "Академия Тринитаризма", М., Эл № 77-6567, публ.17832, 13.01.2013. http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001d/00162058.htm.

3. Монин А.С., Фёдоров К.Н., Шевцов В.П. Явление тонкослойного движения вод открытого океана. Научное открытие № 240 от 23 мая 1972года. Государственный реестр открытий СССР. http://ross-nauka.narod.ru/02/02-240.html.

4. Фёдоров К.Н. О тонкой структуре физических полей в океане. Научное сообщение на президиуме АН СССР. http://www.ras.ru/FStorage/ download.aspx?Id=dfea9d7d-8121-4c31-801a-9baa38772509.

Размещено на Allbest.ru