Телескопическая структура ламинарного потока и турбулентность вязкой жидкости

Вообще механизм превращения энергии при возникновении межслоя следующий. После преодоления потенциального барьера сил сцепления в межслое часть потенциальной энергии неравновесности, создаваемой извне, расходуется на преодоление восстанавливающихся связей, другая часть преобразуется в кооперативную энергию потоков Умова, в полном соответствии с законом сохранения и превращения энергии. Потенциальная энергия неравновесности, затрачиваемая на разрыв восстанавливающихся связей, в момент разрыва между молекулами сразу преобразуется в хаотическую кинетическую энергию. Другая часть потенциальной энергии неравновесности, преобразовавшаяся в поток кооперативной энергии с , начинает диссипировать в хаотическую форму вследствие действия эффекта вырождения результирующего импульса в многочастичной среде. Устанавливается равновесие между мощностью процесса производства кооперативной энергии и мощностью процесса диссипации кооперативной энергии. В результате этого равновесия мы и наблюдаем равномерное движение ламинарного потока в трубе постоянного геометрического сечения. Вся диссипация кооперативной энергии в ламинарном потоке происходит только в зоне межслоя, т.к. сам слой движется как единое целое.

Как показано на Рис.3 скорость ламинарного потока, имея усредненную скорость, изменяющуюся по закону параболы, изменяется ступенчато. В слое скорость постоянна, а в межслое она резко меняется от скорости одного слоя до скорости другого на малой толщине межслоя, порядка размеров частиц жидкости.

Так как силы сцепления в межслое разрываются не полностью, то не полностью снимается и растяжение в слое. До момента разрыва связи данная связь служит для передачи кинетической энергии через межслой от быстрого слоя к медленному. Тем самым в ламинарном потоке идёт процесс передачи кооперативной энергии от центра к периферии. Если неравновесность, т.е. перепад давления продолжает нарастать, то вновь нарастает растяжение в массе жидкости до критической величины, при которой начинается формирование нового межслоя и так далее вплоть до начала турбулизации потока, до формирования качественно новой динамической структуры.

Рассмотрим образование второго межслоя, который формируется с ростом перепада давления вслед за пристеночным межслоем. Этот момент изображён на Рис.6, где ламинарный поток показан с торца. На рисунке затемнённым кольцом изображена стенка трубы, а пунктирными окружностями обозначены межслои.

Межслой большого диаметра - это первый межслой, образующийся в момент возникновения ламинарного потока между покоящимся пристенным слоем и потоком остальной жидкости. Примем его диаметр равным внутреннему диаметру трубы. Положение и диаметр этого межслоя постоянны и не меняются с ростом перепада давления и увеличения скорости потока. Обозначим диаметр этого первого, пристеночного межслоя , а диаметр второго межслоя .

С ростом перепада давления на концах трубы возрастает скорость ламинарного потока. При этом с возрастанием скорости скольжения в пристеночном межслое, возрастают силы вязкости Ньютона, препятствующие движению. Это приводит к растяжению в движущемся слое, так как он тормозится в межслое. С ростом перепада давления, этот процесс растяжения длится до тех пор, пока не достигнет критического значения и не сформируется в толще движущегося слоя новый межслой, который частично снимет напряжение растяжения.

Рис.6 Рис.7

В начале рассмотрим процесс образования второго межслоя качественно. Для этого обратимся к рисунку 7. Здесь по оси абсцисс отложен радиус потока (от оси трубы до стенки). По оси ординат отложена сила. Цифрой - 1 обозначен график зависимости силы от данного перепада давлений приходящейся на площадку поперечного сечения потока в зависимости от радиуса. Эта квадратичная зависимость определяется формулой, аналогичной (16). Цифрой - 3 обозначен график зависимости сил вязкого трения (18) в межслое, если бы он находился на заданном радиусе и при перепаде скоростей соответствующем заданному перепаду давлений на концах трубы. Зависимость эта линейная, т.к. в (18) площадь межслоя при постоянной длине трубы от радиуса зависит линейно. Цифрой - 2 обозначена точка пересечения этих двух графиков. Этой точке соответствует радиус, на котором силы вязкого трения будут равны силе, вызванной перепадом давлений на площадку данного радиуса.

По мере увеличения перепада давлений на концах трубы, будет увеличиваться растяжение среды в слое. При этом растяжение в массе слоя везде будет одинаковым, т.к. жидкости и газы передают усилия во все стороны одинаково. В процессе растяжения графики 1 и 3 будут видоизменяться, но точка пересечения - 2 будет присутствовать, изменяя свой радиус. - сила связи между частицами слоя по мере растяжения будет снижаться (см. Рис.4), пока при определённом не выполнится условии

(21)

Условию (21) будет соответствовать точка -2 со своим радиусом. Здесь сила вязкого трения, при наличии межслоя, будет равна силе давления, приходящуюся на площадь потока, охватываемого межслоем. На этом радиусе и образуется второй межслой. Почему именно на этом радиусе? На радиусе меньшем точки -2 разрыв произойти не может, т.к. здесь сила вязкого трения в межслое превышает силу поперечного давления, вызывающую растяжение. (Рис.7). На радиусах больших точки -2, образование слоя возможно, но состояние это будет не устойчивым. В возникшем в результате бифуркации центральном слое сила поперечного давления будет превышать силу вязкого трения, и вызывать новый разрыв, пока не установится устойчивое состояние, соответствующее точке - 2. При наступлении условия (21), возникает переходный процесс, при котором от пристеночного межслоя до радиуса точки - 2 пробегает возмущение. При этом частично снимается растяжение слоёв ламинарного потока и часть потенциальной энергии растяжения переходит в кинетическую энергию слоёв ламинарного потока. В точке -2 сброс потенциальной энергии максимален, а значит это состояние отвечает наибольшей устойчивости. Устанавливается стационарное состояние (8) для данного перепада давлений по концам трубы. В момент формирования второго межслоя вновь проявляется эффект, связанный с (20). Что вновь приводит к скачку скорости по сторонам второго межслоя.

Определим диаметр второго межслоя количественно.

1). Предположим, что и известны. Получены экспериментально или исходя из квантово-механических представлений.

2). После того как сформировался первый межслой, нам известны перепад давлений на концах трубы из (17) и скачёк скорости в первом межслое из (19).

3). Продолжим наращивать перепад давлений на концах трубы. При этом, из-за увеличения скорости, увеличивается сила вязкости в межслое и с другой стороны увеличиваются силы растяжения в слое. В конце концов силы растяжения достигают предела и в ламинарном потоке формируется второй межслой с диаметром .

4). Для расчёта характеристик второго межслоя примем предварительно некоторое значение , меньшее . Рассмотрение будем проводить в системе отсчёта, движущейся со скоростью равной скорости первого слоя после формирования первого межслоя. Этим мы сведём на первом этапе задачу нахождения к задаче с .

5). Для принятого значения найдём из (17) перепад давлений, необходимый для разрыва связей второго межслоя. А из (19) найдём скачёк скорости во втором межслое.

6). Полученный перепад давления, необходимый для образования второго межслоя () в сумме с перепадом давлений на момент образования первого межслоя (), дадут перепад давлений по концам трубы на момент образования второго межслоя. В этот момент первоначальный слой ещё движется как единое целое.

7). Вернёмся к исходной системе координат, связанной с неподвижной трубой. Зная перепад давлений на момент образования второго межслоя как сумму и , найдём скорость первого слоя перед моментом образования второго слоя. Для этого силу давления из (16) приравняем силам вязкого трения из (18). То есть из формулы (19) найдём скорость скольжения в первом межслое на момент образования второго межслоя. Это будет абсолютная скорость движения первого слоя на момент образования второго межслоя и второго слоя.

8). Энергия потока в момент возникновения второго межслоя, в момент бифуркации, остаётся постоянной. Это связано с тем, что перепад давлений по концам трубы при бифуркации (видоизменении) потока остаётся постоянным.

Происходит лишь перераспределение энергии между слоями потока. Этот факт используем при составлении баланса энергии.

9). Физическая система всегда стремится к устойчивому состоянию, которому соответствует минимум сил и энергии. Бифуркация, связанная с формированием второго межслоя возникает в момент, когда силы трения в первом межслое с ростом перепада давления начинают превышать суммарные силы трения в первом и втором возникшем межслое. А это потребует, без возникновения второго межслоя больших энергий на проталкивание. В связи с этим диметр второго межслоя должен соответствовать двум условиям:

а). Мощность процесса диссипации кооперативной кинетической энергии потока (энергии общего переноса) перед моментом бифуркации равна мощности после завершения бифуркации.

(22)

где: слева равенства стоит произведение силы вязкого трения в первом межслое на скачёк скорости в первом межслое в момент перед бифуркацией; справа равенства стоит сумма произведения силы вязкого трения в первом межслое на скачёк скорости в первом межслое в момент после бифуркации и произведения силы вязкого трения во втором межслое на скачёк скорости во втором межслое в момент после бифуркации;

б). Кинетическая энергия потока через сечение трубы перед моментом бифуркации равна кинетической энергии после завершения бифуркации.

(23)

где: - плотность жидкости; выражения в круглых скобках представляют массовый расход через сечение потока.

В (23) ; В период бифуркации выполняется (21).

10). В выражении (22) для принятого в пункте 4) значения известны все величины кроме величин входящих в произведение среднего члена. Из (22) находим произведение . Теперь произвольно задаём значение . Из физических соображений понятно, что величина скачка скорости в первом межслое после момента бифуркации будет меньше скачка в первом межслое перед моментом бифуркации. Исходя из этого принимаем некоторое значение и по формуле Ньютона (18) находим . Берём произведение полученных величин и подставляем в равенство (22). Если равенство при этих значениях не выполняется, то задаём другое значение . И так до тех пор пока не получим выполнение равенства (22). В этом случае нам будет известен скачёк скорости в первом межслое после момента бифуркации. Это будет скорость первого слоя после момента возникновения второго межслоя.

Далее, зная геометрические и скоростные характеристики потока перед моментом бифуркации и после момента бифуркации, проверяем выражение (23). Если после подстановки геометрических и скоростных характеристик в выражение (23), равенство не выполняется, то принимаем новое значение . Весь цикл расчётов повторяем до тех пор, пока не добьёмся выполнения равенства (23). То значение , при котором выполняется выражение (23) и будет искомым. Ему будут соответствовать и скоростные характеристики.

Расчёт характеристик ламинарного потока для возникновения третьего и последующих межслоёв производится аналогичным образом.

Необходимо отметить тот факт, что по мере увеличения перепада давления происходит в моменты бифуркаций постоянное изменение диаметров межслоёв. За исключением диаметра первого пристеночного межслоя все остальные диаметры межслоёв увеличиваются с ростом перепада давления. Происходит, с ростом давления, уменьшение толщины слоёв, при увеличении их числа.

Рис.8

В момент формирования межслоя в ламинарном потоке происходит бифуркация, т.е. переход к новому состоянию движения. Причём в ламинарном потоке от момента возникновения ламинарного потока до его перехода в турбулентное состояние происходит целый каскад последовательных бифуркаций, сопровождающихся появлением всё новых межслоёв. Им соответствует последовательность чисел Рейнольдса. На бифуркации ламинарного течения не обращали внимание потому, что они при спокойном движении однородной жидкости не заметны не вооружённым глазом.

Условие динамического равновесия в межслое, условие ламинарности можно представить в виде:

(24)

где: n - количество связей в межслое между молекулами принадлежащими разным слоям.

- разность кооперативных импульсов n молекул соседних слоев.

Знак равенства в (24) соответствует моменту перед разрывом связей в межслое при его формировании.

Условие (24) соответствует совокупности условий (8) и (13).

В гидродинамике установилось представление о неразрывности среды, состоящей в тоже время из элементарных трубок. Так автор [12] пишет: “Реальная жидкость не допускает наличия разрывов непрерывности ни внутри движущегося потока, ни на границах его с твёрдым телом”. Эти представления приводят к тому, что в уравнениях гидродинамики условие диссипации записывается по всей непрерывной среде. Например, уравнение Навье-Стокса записывается в виде:

(25)

Выражение взято из [11]. Из (25) вытекает, что оно записано для единицы объёма и при решении требуется интегрирование по всей массе (объёму потока) как непрерывной среде.

Если принять представление о телескопической структуре слоистости и диссипации энергии только в межслое, то необходимо видоизменение уравнений гидродинамики, в том числе и Навье-Стокса. Уравнение движения необходимо записывать послойно с учётом влияния межслоёв по границам слоя. На Рис.8 изображены схемы действия сил на слои телескопической структуры ламинарного потока. Рис.8а - схема действия сил на центральный слой потока. Рис. 8б - схема действия сил на периферийные слои, охватывающие центральный слой.

Далее - необходимо различать стационарные и переходные процессы при записи уравнений баланса энергии. При бифуркациях, протекающих в критических значениях , общая величина энергии не меняется. Происходит лишь переход части потенциальной энергии растяжения в кинетическую энергию потока. Увеличение общей энергии потока происходит на участках роста перепада давлений между критическими числами Рейнольдса ламинарного потока, которые соответствуют бифуркациям, соответствуют моментам образования новых межслоёв.

Для данного и стационарного состояния:

- Уравнение баланса энергии потока для каждого слоя запишется в виде двух уравнений:

а) - общая энергия потока, суммируется по всем слоям. При этом рассчитывается по законам упругости и соответствует Рис.4 для конкретной жидкости.

б) - баланс между производимой энергией за счёт перепада давлений и её диссипацией в межслоях. При этом необходимо учитывать две возможности или их сочетание. Если , вся диссипированная энергия отводится и температура потока не меняется. Если , то диссипированная энергия переходит во внутреннюю энергию, что приводит к разогреву потока.

- Уравнение Навье-Стокса в нашей принятой задаче проще записать в форме основного закона динамики, с учётом действия сил по схеме 8а или 8б для каждого слоя.

- Уравнение непрерывности (сохранения массы) так же запишется послойно, с учётом постоянства скорости в слое и изменения скорости от слоя к слою.

- При необходимости в расчётах необходимо учитывать введённые выше соотношения устойчивого и неустойчивого равновесия.

ПРИРОДА И МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИХРЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

Телескопическая структура ламинарного потока позволяет построить динамическую модель возникновения вихрей турбулентности.

Как следует из динамики эволюции для очередной бифуркации и возникновения новой диссипативной структуры необходимо преодоление потенциального барьера на пути кооперативного движения. Таким потенциальным барьером на пути увеличения скорости ламинарного потока, как уже отмечалось, встают силы сцепления между частицами жидкости, заставляющие более быстрые центральные слои жидкости тянуть за собой более медленные периферийные слои и затрачивать часть кооперативной энергии на совершение работы по разрыву сил сцепления. По мере увеличения перепада давления и скорости ламинарного потока (увеличения ) с некоторого момента динамическое равновесие в межслое не успевает восстанавливаться, и связи между слоями начинают разрушаться полностью. Так как процессы очень динамичны, то полный разрыв связей в межслое происходит не по всей площади межслоя, а в локальных зонах, ослабленных по каким-либо причинам (флуктуации, вибрации, изменение геометрии потока и т.д.). “Мы уже сказали, что течение по трубе становится турбулентным при достаточно больших значениях числа Рейнольдса. Опыт показывает, что для этогодолжно быть не меньше 1700. При меньших значенияхламинарное течение вполне устойчиво. … Принимая особые меры предосторожности для уменьшения неизбежно возникающих возмущений, можно, однако, отодвинуть переход к турбулентному режиму до ещё больших значений ; удавалось наблюдать ламинарное течение по трубе даже при = 50000”. [10]. Таким образом, соблюдая меры предосторожности, можно добиться огромного количества слоёв ламинарного потока, что будет способствовать накоплению потенциальной энергии растяжения среды потока. При этом как видно из Рис.4 будет снижаться потенциальный барьер сил связи. Будет достаточно малейших усилий для преодоления состояния неустойчивого равновесия и сброса огромной потенциальной энергии. В этот момент проявляется так называемый “эффект бабочки”. Напротив, в начальный период возникновения турбулентного движения (при?1700) вихри возникают и исчезают. Так называемая перемежаемость. В английской литературе явление называется пафф-структуры. Это случайная перемежаемость, зависящая от случайных величин (воздействий). Но т.к. при этих условиях потенциальный барьер сил связи достаточно высок, то для полного разрыва локальной области межслоя нужны относительно мощные воздействия, которые встречаются реже. Возникший при таком воздействии вихрь успевает диссипировать до следующего такого воздействия. И только после определенной величины числа Рейнольдса турбулентность становится стабильной, т.к. мощность кооперативной энергии достаточна, чтобы постоянно полностью преодолевать силы сцепления в локальных зонах межслоя. Из-за значительного растяжения потенциальный барьер сил сцепления понижается и достаточно меньших по силе возмущений для нарушения неустойчивого равновесия. Условие наступления турбулентности в локальной зоне межслоя можно записать в виде:

(26)

где: n - количество связей в локальной зоне межслоя между молекулами межслоя принадлежащими разным слоям;

- разность кооперативных импульсов n молекул соседних слоев.

Условие (26) показывает, что силы сцепления в локальной зоне межслоя значительно меньше сил разрыва, вызываемых кооперативным движением. Число Рейнольдса (14) в иной форме определяет соотношение сил записанных в (24) и (26). Числитель в числе Рейнольдса соответствует величине кооперативной энергии потока, а знаменатель соответствует силам связи в жидкости (потенциальному барьеру). Различие в том, что (24) и (26) записаны для конкретного межслоя (24) или его локальной зоны (26), а (14) величина усреднённая по всему потоку.

В силу усреднённого параболического закона скорости, указывающего на то, что относительная скорость в межслое расположенном со стороны стенки больше чем в межслое расположенном со стороны центра, быстрее преодолевается потенциальный барьер с внешней стороны слоя, т.е. ближе к стенке. Чем больше относительная скорость тем больше кооперативной энергии для преодоления сил сцепления. Так как с внутренней стороны слоя потенциальный барьер не преодолен и остается напряженное связанное состояние, то возникают силы перпендикулярные скорости движения потока и направленные во внутрь потока. Это приводит к возникновению вихрей, закручивающихся во внутрь потока, как на Рис.9. Возможна, но со значительно меньшей вероятностью и обратная закрутка, во внешнюю от центра потока сторону.

Рис.9

Возникшие вихри в свою очередь подчиняются закону сохранения момента импульса. Возникает, в результате бифуркации, турбулентное движение, новый вид диссипативной структуры. Таким образом, слоистая структура ламинарного потока позволяет объяснить механизм образования вихрей турбулентного движения при , то есть при таких числах Рейнольдса при которых кооперативная энергия потока достаточно велика, чтобы в локальных зонах межслоя полностью разрывать силы сцепления.

Рис.10

При дальнейшем увеличении неравновесности и числа Рейнольдса возникшие вихри начинают распадаться на более мелкие вихри, подчиняясь закону сохранения момента импульса, с учётом диссипации. Расслоение вихря вызывается тем, что внешняя сторона вихря тормозится силами вязкого трения от соприкосновения с окружающей вихрь средой, что вызывает растяжение среды внутри вихря. Это, под воздействием энергии вращения вихря, приводит к формированию межслоёв и разрыву сил сцепления уже внутри вихрей. Картина распада вихря на два изображена на Рис.10. Когда внутри первичного вихря образовался межслой (на Рис.10а он обозначен мелким пунктиром внутри вихря), то в первый момент вихрь ещё вращается как единое целое, но сила связи между центральной частью вихря и внешней оболочечной частью резко снижается. Так как движение стохастическое, вихрь испытывает сильные случайные воздействия со стороны окружающей его среды. Это приводит к вытеснению центральной части вихря из его внешней оболочки, и он начинает самостоятельное развитие. (Рис.10в). Внешняя вращающаяся оболочка первоначального вихря сдавливается внешним давлением в освободившуюся центральную область и формируется второй вихрь. Этот момент показан на Рис.10б. Энергия первоначального вихря разделилась на энергии двух вихрей, частично диссипируя.

По мере увеличения неравновесности и числа Рейнольдса этот процесс дробления вихрей продолжается. Физика дробления вихрей (появление всё новых бифуркаций с ростом перепада давления и числа Рейнольдса) та же, что и при формировании всё новых межслоёв при ламинарном движении. Механизм формирования межслоя в вихре принципиально тот же, что и в ламинарном потоке. Только нужно учитывать некоторые особенности. При составлении баланса энергии по (23), необходимо учитывать, что линейная скорость в вихревом слое изменяется линейно в зависимости от радиуса, а не постоянна как в ламинарном слое. Величина первоначального вихря зависит от числа Рейнольдса и вероятностных причин, влияющих на величину площади разрыва в ламинарном межслое.

При турбулентном движении нарушается линейность перемещения слоёв. Траектории движения, из-за возникающих вихрей и случайного характера их возникновения, путаются. Это приводит к формированию странного аттрактора в фазовом пространстве. Причём если для ламинарного потока в данном стационарном состоянии для каждого слоя имеется свой аттрактор, то для турбулентного (стохастического) потока странный аттрактор общий для всего потока при данном стационарном состоянии.

Причем процесс турбулизации носит двоякий характер: с одной стороны увеличивается свобода перемещения слоев, с другой увеличивается диссипация и мощность процесса релаксации. Это связано с тем, что отношение площади поверхности вихря к его объёму растёт с уменьшением размера вихря. А это приводит к росту вязкого трения. Направление закрутки малых вихрей соответствует закрутке породивших их больших вихрей. Процесс турбулизации с увеличением неравновесности заканчивается тогда, когда эти две противоположные тенденции полностью разрушат потенциальный барьер сил сцепления в жидкости и она будет вести себя подобно газу. И с этого момента эпюра скоростей в сечении потока будет изменяться по параболическому закону (как в газе или паре). Собственно в таком состоянии жидкость и будет как бы соответствовать пару. Это вырожденное состояние странного аттрактора.

Критическое число Рейнольдса при котором начинается турбулизация потока, изменяется в широком диапазоне в зависимости от влияния не только скорости потока, диаметра и вязкости, но и дополнительных условий, способствующих преодолению потенциального барьера сил сцепления (температура, влияющая на вязкость и флуктуации, вибрация, встряхивание, расширение потока, дополнительные препятствия и т.п. снижают критическое число Рейнольдса). К числу случайных воздействий относятся и процессы образования и расслоения турбулентных вихрей. Для количественного описания турбулентности на совокупность уравнений описывающих ламинарное движение необходимо наложить случайные воздействия, о которых сказано выше.

При турбулентном движении мощность процесса релаксации возрастает, но, тем не менее, турбулентное движение, являясь более сложным, менее хаотично чем ламинарное. [4]. Хаос это отсутствие целенаправленного действия. При турбулентном движении результирующий импульс на единицу массы больше чем при ламинарном, а это значит что доля подсистемы порядка выше по отношению к доле подсистемы хаоса. Поэтому турбулентное движение является более организованным, обладает большим потенциалом для совершения работы.

В экспериментах не замечено резких изменений расхода жидкости через трубу при переходе от ламинарного течения к турбулентному. Это говорит о том, что энергия для турбулизации черпается из потенциальной энергии растяжения в слоях и межслоях.

В турбулентном потоке из-за локальных зон полного разрыва в межслое, передача энергии от быстрых центральных слоёв к периферийным снижается, снижается растяжение среды потока (жидкости). С учётом завихренности и хаотизации это и сглаживает эпюру скоростей центральных зон турбулентного потока в сравнении с ламинарным потоком.

Теперь, используя предлагаемый механизм турбулизации, попытаемся качественно объяснить некоторые опытные и теоретические факты, полученные при изучении турбулентности.

1) “если за течением наблюдать достаточно долго при постоянных условиях, то в ламинарном потоке могут появляться вихри со случайным поведением, после чего картина становится ламинарной”, [16]. Мы уже давали объяснение явлению случайной пере- межаемости, которая вызвана тем, что флуктуации способствуют ослаблению сил сцепления в локальных зонах межслоя ламинарного течения. Воздействие даже недостаточно мощного для турбулизации кооперативного потока энергии на ослабленный в результате флуктуации локальный участок межслоя способствует его полному разрыву. Это приводит к рождению вихря, который вскоре затухает в результате диссипации кооперативного движения.

2) “Чем меньше масштаб пульсаций, тем позже они появляются”. [16]. Когда с ростом перепада давления, с ростом неравновесности, производство кооперативной энергии достигает мощности достаточной для стабильной турбулизации, т.е. постоянного полного разрыва межслоя в локальных зонах, то появляются первые крупные вихри. Появление вихрей по поверхности межслоя носит относительно случайный характер, так как инициатором появления того или иного вихря является флуктуация и другие случайности. С момента возникновения вихря начинает действовать закон сохранения момента импульса. Однако если мощность кооперативного потока недостаточно велика, вихрь вскоре рассеется под действием диссипации, вызванной эффектом вырождения результирующего импульса. При дальнейшем росте неравновесности возросшая кооперативная энергия создаёт вихри, обладающие более мощной кооперативной энергией. Скорость жидкости в вихре меняется от нуля в центре до максимальной по периферии вихря. При этом при определённой неравновесности в вихре как и при ламинарном течении возникают межслои, которые при дальнейшем росте неравновесности начинают рваться и появляются из больших вихрей вихри меньшего масштаба. С дальнейшим ростом неравновесности продолжается аналогичный процесс дробления. Так появляется последовательный каскад турбулентных бифуркаций. Отсюда понятен и “поток энергии через всю иерархию вихрей от самых больших к самым малым”. [16].

Турбулентное течение вызывает интерфиренцию световых волн.

В момент разрыва межслоя и последующем резком изменении движения в упругой среде жидкости возникает ударная волна и развивается волновой процесс с определённой длиной волны. Так как разрыв межслоя происходит при определённой мощности кооперативного потока, то и волны от разных первичных вихрей имеют достаточно узкий спектр частот. Вихри, а с ними и ударные волны, появляются в данный момент времени и в данном месте потока случайно, что и создаёт сложную общую картину. Однако, несмотря на сложность общей волновой картины, из-за узкого спектра частот волн от диссипативных структур определённой бифуркации, в жидкости возникают интерференционные картины, вызывающие интерференцию световой волны. Сложность волновой картины турбулентного потока ещё более усложняется, когда с возрастанием неравновесности начинают возникать вихри меньшего масштаба со своими спектрами частот ударных волн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Если исходить из телескопической структуры ламинарного потока, то физические принципы и механизмы возникновения гидродинамической турбулентности просты и наглядны. Сложности возникают в связи с наложением на эту простоту множества факторов, таких как вероятностный характер влияния флуктуаций и других случайных воздействий на состояния потока близкие к неустойчивым, многообразие граничных условий, в том числе их переменный характер во времени. В совокупности это приводит к трудностям при количественном описании гидродинамических процессов, как в стационарном состоянии, так и особенно при их эволюционном развитии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Власов В.В. Основы векторной энергетики. М.: “Буркин”. 1999г., 124с.

2. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. - М.: “Мир”, 1973г., 280с.

3. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. - М.: “Химия”, 624с.

4. Климонтович Ю.Л. Критерии относительной степени упорядоченности открытых систем. // УФН, ноябрь 1996г.

5. Косарев А.В. Единство динамики и механизмов возникновения вихрей турбулентности и вихрей Бенара. www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4917.html

6. Косарев А.В. Эффект вырождения результирующего импульса и его роль в формировании диссипативных структур Пригожина. // Естественные и технические науки, №3, ООО “Издательство Спутник+”, 2007г., с. 42-53.

7. Косарев А.В. Механизм возникновения турбулентности в потоке жидкости. // Материалы Всероссийских научно - технических конференций. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр “Диалог” , 2008г., с. 17-18.

8. Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. Издание второе, переработанное и дополненное. - Из-во: LAP LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 360с.

9. Крайнов В.П. Качественные методы в физической кинетике и гидрогазодинамике. - М.: “Высшая школа”, 1989г., 224с.

10. Ландау Л.Д., Ахиезер А.И, Лифшиц Е.М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. - М.: “Наука”, 1969г., 400с.

11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. ТФ. Том 4. Гидродинамика. - М.: “Наука”, 1986г., 736с.

12. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: “Наука”, 1970г., 904с.

13. Осипов А.И. Самоорганизация и хаос. - М.: “Знание”, 1986г.,64с.

14. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: “Наука”, 1985г., 326с.

15. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1. Механика. - М.: “Наука”, 1979г., 520с.

16. Трубецков Д.И. Турбулентность и детерминированный хаос. Соросовский образовательный журнал N1(26) за 1998 г., с. 77-83.

17. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. Т.7. Физика сплошных сред. - М.: “Мир”, 1977г., 288с.

Размещено на Allbest.ru