Война и Мiр газотермодинамики
Газотермодинамика. Авторское восприятие
Пожалуй, наиболее мощным, взрывным и победным развитием этой универсальной науки послужило стремление Miра – Человечества противостоять «немиру» – Войне.
Символы противостояния Войны и Мира.
«Ядерная зима» как возможное последствие глобального ядерного взрыва vs – создание атомной и термоядерной энергетики – базы существования и развития Miра.
Гиперзвуковые ракеты с ядерными боеголовками vs Покорение космоса.
Это удивительно, но правда.
Исследования, описание и реализация этих глобальных явлений во многом базируются на многообразии и единстве универсальной науки – «Газотермодинамика».
Наибольших успехов эта наука достигла именно в области решения сложнейших проблем войны и мира, понимания ключевых явлений в природе и социуме.
Философия газотермодинамики, способность осмысления, постановки и решения сложнейших задач (атомная техника, ракеты, космос), классно отработаны на решениях многих естественнонаучных проблем.
Вполне обоснованы попытки использовать модели и подходы и для решения многих трудно формализуемых социогуманитарных проблем.
Ударные волны и человек, глобальная турбулентность, фазовые переходы, неравновесность и метастабильность.
Понятия газотермодинамики все интенсивнее входят в обиход гуманитариев, политиков, социологов и даже поэтов.
Философия Маха и создание газогидродинамики, как естественной науки – пример «сочетания несочетаемого». Формирование трансдисциплинарного подхода к решению проблем «технология – социум».
Яркая демонстрация открытий, потрясений и красоты в научном познании единства и многообразия Мiра. Так писали великие. («Проблема красоты в научном познании». В.Гейзенберг, физик, Нобелевской Лауреат).
«Красота – это наивысшая степень целесообразности, степень гармонического соответствия и сочетания противоречивых элементов во всяком устройстве, всякой вещи, всяком организме». И. Ефремов, писатель, «Лезвие бритвы».
«Во всем есть красота, но не все ее видят.» Конфуций
«Выберите себе работу по душе и вам не придется работать ни одного дня в своей жизни». Великая китайская мудрость.
Предлагаемая книга – авторская попытка вовлечения читателей в сферу удивительного многообразия и единства Газотермодинамики как постижения ее красоты.
О вовлеченности автора в профессию
«Однажды ты совершенно случайно окажешься в нужное время в нужном месте и миллионы дорог сойдутся в одной точке».
Омар Хайям
Примерно это и произошло с автором.
Start up проекта ГТД. «Газотермодинамика» – МЭИ.
1960 г. Создание группы «ракетчиков» из студентов – теплофизиков 4 курса. Идея и реализация академика В. Кириллина, МЭИ.
1960 г. Ударная труба». Первый курсовой проект автора – студента кафедры ИТФ.
1961 г. Нетривиальное начало «взрослости» – дипломный проект на кафедре аэродинамики Военно – Воздушной Академии им. Н.Е. Жуковского.
1962 г. Нечаянная встреча с первым космонавтом Ю. Гагариным на обеде в столовой Академии.
Удивительный кейс. Круглая небольшая столовая – только для по чину не ниже полковника (я – случайно). Народ (человек 10–15) спокойно обедает. Открывается дверь, входит какой-то генерал и с ним Ю. Гагарин. все сразу встали, а он – покраснел! Это был апрель – май 1962 года. Мы уже были в космосе!
1962 г. Первая публикация по гиперзвуку. Сборник «Аэродинамика гиперзвуковых скоростей». Изд. Академия, 1962 г.
1962 г. Дейч v/s Королев.
Распределен на фирму С.П. Королева, приглашен в аспирантуру МЭИ к профессору Дейчу.
1972 г. Первая монография «Сверхзвуковые двухфазные течения».
1979 г. Вторая монография. О многообразии газотермодинамики. Нестационарность и неравновесность систем. Мощные ударные волны, диссоциация и ионизация. Газодинамика излучения. Гиперзвук.
Трансформация понятий
20-й век. 1961 год.
Первое восприятие понятия «гиперзвук» – это Космос
Бурный этап развития газотермодинамики и инженерной теплофизики.
Скорости – гиперзвуковые. Прорыв в космическое пространство
1-я космическая скорость – 7,9 км/с, – 6 Махов.
2-я космическая скорость – 11,2 км/с, – 9,5 Махов.
Юрий Гагарин – символ покорения Космоса. Апрель 1961 года.
21 век. Гиперзвук. Радикальная трансформация восприятия этого понятия.
Бренды – «Кинжал», «Искандер», «Булава», а тем более – «Орешник» у всех на слуху. Это ГЛА. Гиперзвуковые летательные аппараты.
Демонстрация многообразия мира газотермодинамики ярко показана в работе «Гиперзвуковые летательные аппараты». В. Дегтярь, Э. Сон, Янук, Москва, 2016 г. Государственный ракетный центр Москвы, Московский физико-технический институт – Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ) – детище кафедры «Инженерной теплофизики» МЭИ.
ИВТАН, РКК «Энергия» (в мои годы – ОКБ Королева, куда я был распределен после окончания МЭИ, ну и конечно – кафедра аэродинамики Академии Н.Е. Жуковского, место моей первой публикации по гиперзвуку. Это был 1962 год.
Студенту 4-го курса МЭИ, даже общаясь с Пионерами гиперзвука в Академии Жуковского (ВВИА), трудно было представить такое будущее «гиперзвука». Но то, что это было уже тогда захватывающе интересно – это факт.
«Неважно, насколько медленно вы идете, главное не останавливаться».
(Конфуций).
И вот – не виртуальная реальность.
2023 год. Создание Университета НИУ «МЭИ – Хайнань» в «космическом городке» Вэньчан. Аэрокосмическое направление.
Понятно, насколько близок мне и профессионально и по жизни газодинамический подход к анализу сложнейших физических, а теперь и социально – политических процессов и явлений.
Глава 1. Ударные волны и человек
«В России надо жить долго – тогда обязательно до чего – нибудь доживешь»
К. Чуковский
Дача. Лето. Тишина. Высоко в небе беззвучно летит самолет. Неожиданно сильный хлопок по ушам и сразу же слышен звук работы авиадвигателя. «Перешел через скорость звука» – со знанием дела заявляет внук лет восьми – девяти. «Да нет!», возражает дед. «Это самолет летит со сверхзвуковой скоростью. Причем, судя по силе хлопка – значительной – в несколько Махов. А это сейчас через нас прошла ударная волна или по газодинамическому понятию – косой скачок уплотнения. А число Маха (М) – это отношение скорости самолета к скорости звука в воздухе и сейчас оно больше 1,0».
Сверхзвук, гиперзвук и число Маха
Понятия, недавно известные лишь специалистам – газодинамикам, сейчас знают все – от мальчишек и бабушек на скамейках до руководства великих стран. (Чего стоит одна лишь дискуссия по поводу гиперзвуковых ракет).
Понятие «сверхзвук» чаще всего ассоциируется с «невойной».
Гражданская авиация, создание сверхзвуковых пассажирских самолетов (ТУ-144, «Конкорд»). Из Москвы во Владивосток за 3 часа! Скорость полета – 2–3 Маха.
Тело (пуля, самолет, ракета), движущееся в воздухе со сверхзвуковой скоростью (М=1), генерирует ударную волну (скачок уплотнения (рис. 1–1).
Рис. 1.1. Скачок уплотнения.
При достижении поверхности земли скачок давления на ее фронте воздействует на барабанные перепонки человека и воспринимается как резкий и громкий хлопок. Интенсивность воздействия такой ударной волны зависит от высоты и скорости полета (число Маха).
Так, по оценкам специалистов при полете крупного самолета со скоростью 1,2 М (около 1500 км/час) на высоте около 500 м. в строениях на поверхности Земли могут быть выбиты стекла, а человек оглушен, сбит с ног или контужен.
Различные типы ударных волн, в том числе и от взрыва атомных бомб, виды их воздействия прекрасно описаны в известной книге моего коллеги И.Гласса «Ударные волны и человек», 1974 г., которую он презентовал мне много лет назад. (Рис. 1–2)
Рис. 1–2. Ударные волны и человек. И. Гласс. Институт аэродинамических исследований. 1974 г.
Именно поэтому в СССР были приняты правила, ограничивающие высоту полетов со сверхзвуковой скоростью не ниже 10 тыс. м.
Практически этот подарок – ответ на мою первую монографию «Сверхзвуковые двухфазные течения», 1972 г.
«Ударная волна является одним из наиболее часто встречающихся газодинамических разрывов и представляет собой поверхность в поле течения газа, при переходе через которую параметры потока изменяются скачкообразно (с макроскопической точки зрения)».
Число Маха растет. Мощь ударной волны – тоже. И вот при М >5 возникает ощущение чего-то большого и нового. Магия гиперзвука.
Ударные волны – трансформер среды
При гиперзвуковых скоростях обтекания тел (с числами Маха больше 3–5) рост температуры за ударной волной интенсифицирует различные физико-химические процессы
Магия гиперзвука (не путать с гипермаркетами и другими «гиперами»).
Температуры огромные – 3-10 тыс. градусов. («Солнце отдыхает!»).
Картина начинает меняться революционно. Классическая газодинамика обогащается новыми процессами, терминами, понятиями. Неравновесная термодинамика, диссоциация и ионизация, плазма.
Даже радиотехникам есть работа. (В ионизированном ударной волной воздухе затухает радиосигнал – (страхи космонавтов – потеря связи с Землей при входе корабля в атмосферу).
Предчувствие космоса. Проблема возвращения космического корабля. И главное – надёжная защита от высоких температур при входе в атмосферу.
Трансдисциплинарная проблема для газодинамика – теплофизика – инженера.
Растет востребованность новых подходов и решений как теоретических, так и экспериментальных. Огромное поле деятельности для исследователей и на поле газотермодинамики.
Диссоциация
Распад молекул на составные. По оценкам для воздуха (смесь кислорода и азота) диссоциация начинается для молекул кислорода при Т≥2400 К, азота – при Т≥ 4000 К.
При этом соотношения для расчета Т за ударной волной для идеального газа нуждаются в существенной корректировке. Возникают проблемы экспериментальных исследований процессов диссоциации при столь высоких температурах.
Ионизация
С ростом интенсивности ударной волны при Т>6000 К начинается процесс ионизации воздуха и газ становится плазмой.
Особенно важно для решения задач входа в атмосферу спускаемого аппарата (СА) со второй космической скорости, когда влияние процессов ионизации на характеристики и структуру ударного слоя около спускаемого аппарата (СА), становится определяющим. Прежде всего это важно для расчета аэродинамических параметров, температурных режимов СА, характеристик и свойств тепловой защиты.
Определение структуры релаксационной зоны за ударной волной и средств защиты СА при гиперзвуковых скоростях (М >8) является сложной трансдисциплинарной задачей газотермодинамики (включая проблемы теплообмена, теории прочности физической химии и даже радиотехники).
Трансформация среды за сильной ударной волной, ее ионизации, образования слоя плазмы может приводить к нарушению радиосвязи в цепочке «аппарат – Земля). (Ощущения потери связи с Землей первых космонавтов). Совмещенные проблемы как тепловой, так и радиолокационной защиты.
Гиперзвуковые летательные аппараты – ГЛА. Ракеты, могущие летать в плотных слоях атмосферы со скоростью не менее 5-ти махов (6 000 км/ч и выше).
Важная особенность – эффективное управление с возможностью изменения траектории полета. Это практически исключает поражение ГЛА современными средствами.
При больших числах Маха (7 – 10) – растет риск уязвимости ГЛА, обусловленный многообразием газотермодинамики неравновесных процессов, мощной ударной волной – процессами диссоциации и ионизации воздуха.
Это повышает возможность радиолокационного обнаружения ГЛА.
Диплом газотермодинамика. Кейс от МЭИ – ВВИА
Найти способ и инженерное решение для возможности экспериментальных исследований гиперзвуковых физическо-химических эффектов (диссоциация, ионизация) – в лабораторных условиях и при умеренных температурах.
Вот такая задача была поставлена в 1961 году перед студентом 5-го курса МЭИ в рамках дипломного проекта при стажировке на кафедре Аэродинамики ВВИА им. Жуковского. База знаний – кафедра инженерной теплофизики МЭИ.
Ниже – пример научно-образовательного и инженерного проекта реального погружения студента – теплофизика в проблему ракетной техники и космонавтики (система «физтеха» – «МЭИ»).
(На кафедре аэродинамики Академии в эти годы (1961–1962) проходили занятия космонавтов 1-го набора). Это воодушевляло и мотивировало.
«Сверхзвуковая аэродинамическая труба с диссоциирующим рабочим телом».
Выдержки из статьи по результатам дипломного проекта автора. (МЭИ – Военно-Воздушная Академия им. Н.Е. Жуковского».
«Процессы, происходящие при обтекании тел высокоскоростным потоком диссоциирующего газа, существенно отличаются от тех же процессов при отсутствии диссоциации.
Так, если набегающий поток имеет давление р͚ = 9,8· n· и температуру t ͚ = 273°К, то при изоэнтропическом торможении со скоростью v ͚ = 8000 м/сек температура торможения в идеальном газе будет = 32 000° К, в то время как при равновесной диссоциации воздуха = 8150° К.
Известны работы по созданию аэродинамических труб с подогревом воздуха в форкамере электрическим разрядом до температур порядка 5000–7000˚К. Однако, во-первых, эти установки требуют огромных энергетических затрат, во-вторых, эксперимент при таких высоких температурах связан с большими техническими трудностями.
Реакция диссоциации основных компонентов воздуха O2 и N2 происходит по схеме = A2-2А. Поэтому при изыскании методов экспериментального исследования диссоциации двухатомных газов была выдвинута идея использования в качестве рабочего тела вещества, диссоциирующего по такой же схеме, но при относительно низких температурах.
После детального анализа свойств ряда элементов и соединений в качестве такого рабочего тела был выбран йод.
Показано, что при относительно невысокой температуре можно получить достаточно высокую степень диссоциации. Так, например, при давлении р = 9,8 n и температуре 1070° К степень диссоциации ɑ = 30 %. Это примерно соответствует степени диссоциации воздуха в пограничном слое при входе снарядов в плотные слои атмосферы со скоростью 5000–6000 м/сек.
Рассмотрены два варианта установки.
Первый из них предусматривает создание замкнутой сверхзвуковой аэродинамической трубы с подогревом йода в форкамере до температур порядка 600 – 1000° С. Замыкание цикла предполагается осуществить в жидкой фазе.
Рис. 1–3. Схема аэродинамической йодной трубы.
Схема установки представлена на (рис. 1–3).
Йод нагревается электродуговым подогревателем в форкамере 1 до температуры 600—1000° С. Затем газообразный йод разгоняется в сверхзвуковом сопле 2 до чисел М = 4 ÷ 6.
При расширении температура потока уменьшается до 200 ÷ 300° С. Следовательно, невозмущенный поток в рабочей части будет недиссоциированным.
За головным скачком уплотнения и в пограничном слое за счет торможения температура вновь резко возрастает, при этом происходит диссоциация газа.
Таким образом, воспроизводится картина, подобная той, которая наблюдается при полете тел с гиперзвуковыми скоростями».
Это было в МЭИ. И это было 60-лет тому назад. Но это было!
При современных супертехнологиях математического моделирования, искусственного интеллекта и огромной востребованности профессии трудно даже представить класс, уровень и неожиданность решений дипломных проектов выпускников НИУ МЭИ – Хайнань через 5 – 10 лет.
Сильные ударные волны
Потрясения
Мощью безмерной и грозной
Небо над миром блистало б,
Если бы тысяча солнц
Разом на нем засверкала.
Из древних индийских саг.
Бхагавад Гита
Эпиграф к знаменитой книге Р. Юнга «Ярче тысячи солнц» о восприятии первого атомного взрыва его созидателями. США, 1949 г.
Иное потрясение ударной волной атомного взрыва у одного из советских созидателей атомной бомбы. СССР. 1948 год.
«Меня потрясла трава.
Была тишина, и вдруг я вижу, как легла трава – пришла ударная волна.
Тишина и поникшая трава – главное впечатление от ядерного взрыва»
(из воспоминаний академика Я. Зельдовича).
Прошло каких-то 80 лет. Май 2024 года.
«Ударная волна,
Команда «Вспышка справа!»
Вновь свет опередит
Ударную волну.
И сила нам дана
И царство нам и Слава
И все, что не сбылось,
Осталось на кону!
«Ударная волна,
Команда «Вспышка слева!»
Опередит волну вперед летящий свет,
Последняя весна, часть праведного гнева.
«То be or not to be» финальный даст ответ.
(авторский блог А. Рачева)
Разрушительная сила ударной волны.
Но было и другое потрясение. От Первого космонавта: «Я горю!». Вход космического корабля «Восток 1» в плотные слои атмосферы. Расплавленная от ударной волны плазма (огненный шар за иллюминатором). Гагарин: «Я горю! Но я жив». Космос наш! Потрясение от открытия.
Рис. А. Леонова. Спуск космического корабля.
От эмоций к газотермодинамике
Итак, в ударной волне происходит резкий рост давления и температуры. Считается, что сильная ударная волна приводит к росту давления в 100 атмосфер и выше.
Наполненный ударной волной воздух светится как раскаленное твердое тело. Ударная волна ядерного взрыва называется «огненным шаром». Накаленный разреженный воздух легче окружающего. Он всплывает, расширяется и охлаждается. Образуется известное всем грибообразное облако.
По оценкам специалистов эффект от воздушного взрыва атомной бомбы над Хиросимой N = 20 килотонн, высота подрыва – 300–600 м… В центре взрыва мощный рост давления (∆P) и температуры (более 10 000 град. С).
Снижение интенсивности распространяющейся ударной волны. На расстоянии от центра L = 300 м. ∆P ≈ 100 атмосфер, L ≈ 700 м. ∆P ≈8 атмосфер, L ≈ 1 500 – 2000 м. ∆P ≈ 0,5–1 атм.
Рушатся здания, лопаются барабанные перепонки.
Мир сильной ударной волны (СУВ).
Эффекты СУВ с восхищением и ужасом наблюдали первые космонавты при спуске космического корабля.
Оценки параметров головной ударной волны, когда в ее фронте достигается максимальная плотность (при ∆P10).
Рост температуры можно оценить по формуле
= при ∆P10, (1–1)
Где – температура окружающей среды, Т – за ударной волной, К 1,4 (показатели адиабаты воздуха).
Рост давления – функция числа Маха. ∆P ≈ а.
Без учета затрат энергии потока на диссоциацию и ионизацию воздуха за СУВ, рост давления в ударной волне можно определить по формуле:
= (– 1), (1–2),
где – число Маха летящего тела, – давление газа перед и за ударной волной соответственно.
По формуле (1–2) при М
/ = 57,3. Тогда по формуле (1–1) температура за СУВ –
С ростом температуры развиваются процессы диссоциации молекул, и химический состав газа существенно изменяется. Влияние изменения теплоемкости к показателям К обнаруживается уже при М>1. Тогда реальная Т за СУВ будет ниже, ≈ 5–6 тыс. градусов.
И это плазма. Огненный шар.
Ударные волны и цунами
Подводный ядерный взрыв.
Этот впечатляющий снимок представлен профессором И. Глассом в его знаменитой монографии «Ударные волны и человек!», 1974 г. (см. рис. 1–5).
Рис. 1–5. Подводный ядерный взрыв
Эти подводные взрывы (примерно такой же мощности, как атомная бомба Хиросимы) выбрасывали столбы морской воды высотой более полутора километров и создавали мощные ударные волны. Некоторые корабли, находящиеся рядом со взрывами, испарились, другие были отброшены и затонули.
Примечательно – взрывы резко увеличили высоту волн на близлежащих атоллах, затопив внутренние районы. Эффект цунами.
Известны разные проекты создания сверхмощного оружия по принципу искусственно вызванного цунами (пример – проект «SEAL»).
Идея – Е.А. Гиббсона (1943 г.). Официально проект «SEAL» рассекречен лишь в 1999 году. Оценки экспертов – противоречивы. От подтверждения потенциальной возможности создания такого оружия (работы университета Вайкато (Новая Зеландия)), до сильного скепсиса.
«Энергия крупного ядерного оружия мала по сравнению с энергией естественного цунами. Цунами, вызванное ядерным оружием, не может быть очень большим». (Г. Спирингс. Физик ядерщик. Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Ло́уренса, США).
Существуют и иные оценки (Изд. Yahoo News Japan (Япония) о российской ядерной торпеде «Посейдон». Движется под водой и при взрыве способна создать цунами высотой 500 м. (статуя Свободы в США – 93 метра).
С идеей создания такого оружия в 40-е годы 20 века выступал академик Сахаров.
Сам академик рассказал об этом в начале перестройки.
И вот 2024 год. Резкое обострение противостояния систем коллективный Запад – Восток (СВО). Ренессанс идеи А. Сахарова. Публикация доклада доктора военных наук К. Сивкова «Ядерный спецназ» о возможности возрождения проекта создания управляемого цунами.
Понятная реакция, однако надеюсь, что естественных цунами человечеству более чем достаточно.
Природные цунами
Рис. 1.3.2. Разрушающая волна. Рисунок японского художника Хокусан. 1823–1830 гг.
По определению – цунами, это гигантские волны крупного размера, образующиеся вследствие сильного ударного воздействия (подземное или прибрежное землетрясение, извержение вулкана в океане). Средняя высота волн около 10–40 метров, скорость распространения до 900 км/час (почти сверхзвук) чистая гидродинамика.
Последствия цунами.
Цунами широко известны. Многократно описаны. Это разрушение прибрежных конструкций, портов, гибель морей, зачастую – катастрофическое разрушение инфраструктуры с мультипликационными эффектами. Наиболее яркий пример – цунами, разрушившее АЭС Фукусима, Япония. Высота волн достигала 40 метров. Материальный ущерб составил несколько сотен млрд. долларов.
Прогнозируемое цунами. Скорости распространения.
Долгосрочное прогнозирование заключается в оценке Рисков для определенных территорий, вероятности возникновения, скорости и высоты волн.
Расчет параметров цунами. Оценочно для определения скорости распространения волны цунами пользуются формулой Лагранжа с учетом глубины океана. При допущении, что дно океана горизонтально, формула дает величины скоростей, хорошо согласующиеся с данными наблюдений. Для оценки воздействия волны типа цунами на прибрежную инфраструктуру разработаны различные рекомендации, основанные на гидродинамических подходах.
Ударные волны и созидание
«Ожидаемые и неожиданные явления». Это – Декларация в докладе академика Фортова, директора института высоких температур, президента РАН в 2013–2017 гг. на Международном коллоквиуме (ММК).
И вот японская неожиданность. На ММК лекция профессора Р. Танаяма «Ударные волны – от медицины до геологии». Университет ТОХОКУ, Япония.
Предмет для осмысления многообразия газотермодинамики.
Для интриги кратко обозначим лишь некоторые ожидаемо – неожиданные приложения столь значимых ударных волн.
– Ударно – волновая терапия (УВТ). Метод основан на эффекте кавитации. Считается, что фактически это контролируемый микровзрыв (не гиперзвук, но термин УВТ – впечатляет);
– Технология увеличения дебитов нефтяных скважин обработкой продуктивных пластов ударными волнами;
– Тушение лесных пожаров методом направленных взрывов;
– Тушение нефтяных пожаров воздействием ударных волн;
– Опреснение и очистка воды с помощью ударных волн (работы, MTI, США);
– Мощные ударные волны для исследования экстремальных состояний вещества.
Список можно продолжить. Широкая поляна для поиска и анализа новых приложений.
Это – Ударные волны Мира.
Глава 2. Турбулентность – наука и бытие
Постижение непостижимого
Знаменитый ученый Теодор фон Карман (Сверхзвуковые и гиперзвуковые течения) (1881–1963), как-то образно сказал, что, когда предстанет перед Создателем, первое, что будет просить – открыть тайну турбулентности!
Вслед за Т. Карманом другой физик Вернер Гейзенберг[1] с его знаменитым «принципом неопределённости» пред своим уходом признал, что хотел бы задать Господу Богу всего два вопроса:
1) Об основах турбулентности;
2) О причине турбулентности.
«Но думаю, что Господь может ответить мне только на первый из них».
Для меня со студенческих лет турбулентность (турбовихрь) – гидрогазодинамическая проблема. В Гидрогазодинамике турбулентный поток – это движение жидкости, характеризующееся хаотическими изменениями давления и скорости.
В повседневных явлениях – прибой, грозовые облака, воздушные «ямы» для самолета: «Пристегните ремни, вы входите в зону турбулентности».
При самом общем подходе турбулентность – одно из глубочайших явлений нашей природы, оно смыкается с философским проникновением в суть вещей.
В эпоху потрясений социума это хорошо поняли социологи, экономисты, политологи, философы.
Физическая, социальная, глобальная – это все о турбулентности и о близости и даже аналогии этих явлений. А значит и о возможностях их описания, расчета и прогнозирования методами неравновесной газотермодинамики.
Все наше бытие – эпоха турбулентности.
Общие представления о турбулентности
Турбулентность (от Turbulentus – бурный, беспорядочный) турбулентное течение – явление, когда при увеличении скорости течения жидкости (или газа) образуются нелинейные фрактальные волны.
Волны появляются случайно, и их амплитуда меняется хаотически в некотором интервале. Они возникают чаще всего либо на границе, у стенки, и/или при разрушении или опрокидывании волны. Они могут образоваться на струях. Количественные условия перехода к турбулентности были открыты английским физиком и инженером О. Рейнольдсом в 1883 году при изучении течения воды в трубах.
Турбулентность в ее обычном понимании возникает в пристеночных слоях слабовязких жидкостей или газов, либо на некотором удаленном расстоянии за плохообтекаемыми телами.
Обычно турбулентность наступает при превышении критической величины неким параметром, например числом Рейнольдса и Релея.
При определенных параметрах турбулентность наблюдается в потоках жидкостей и газомногофазных течениях, жидких кристаллах, квантовых бозе – и ферми – жидкостях, магнитных жидкостях, плазме и любых сплошных средах (например, в песке, в земле, металлах).
Турбулентность наблюдается при взрывах звезд, в сверхтекучем гелии, в нейтронных звездах, в легких человека, движении крови в сердце, при турбулентном т. н. вибрационном горении и т. д. и т. п.
Некоторые формы турбулентности.
– Механическая турбулентность (при обтекании тел с большой скоростью;
– Грозовая турбулентность («пристегните ремни»);
– Тепловая турбулентность;
– Турбулентность ясного неба;
– Атмосферная турбулентность;
– Химическая турбулентность;
– Плазменная турбулентность;
И др.
Модели турбулентности – их множество. От первых моделей Рейнольдса, Прандтля, Кармана, Колмогорова до современных гибридных моделей и численного моделирования уравнений Навье – Стокса с использованием нейросетей.
На их основе разработано огромное множество математических моделей турбулентности (RANS, LES, DES, b DNS модели). Эти модели широко используются для инженерных расчетов.
Турбулентность – фундаментальный принцип природы, обеспечивающий передачу энергии и информации в пространстве и времени за счет перемешивания.
Развитие информационно-коммуникационных технологий, нейросетей и элементов искусственного интеллекта – новые тренды постижения турбулентности.
Разнообразие видов турбулентности, обилие ее моделей и главное рост вопросов и понятий при их исследовании – знак непостижимости этой проблемы, расширяющий понятие газотермодинамики.
Тайны вихря. Смерчи и торнадо
Страшен смерч в океане. Еще страшнее смерч пустыне. Гигантские воздушные вихри горы могут унести из каравана путника вместе с вихрем.
Рис. 2–1. Смерч.
«По древней легенде храбрец, повстречавший в пустыне смерч на своем пути должен смело к нему подойти и, не дрогнув, метнуть в него кинжал. Смерч исчезнет, а на стальном лезвии останутся капли холодной росы. Это – «кровь шайтана», пораженного смелым воином».
Удивительно, как часто скрывается истина в старых поэтических легендах. Может быть, сотни лет жители пустынь знали о сильном холоде в середине вихревого столба.
Оказывается, что во всяком газовом вихревом движении температура наружных слоев выше окружающей среды, а в центре – значительно ниже. Но откуда «холодная роса»?
Структура торнадо
Вот такой амбициозной разгадке тайны вихря (образования росы) и была посвящена диссертация моего аспиранта Ю. Лаухина «Исследование вихревых потоков конденсирующегося пара. 1973 г., МЭИ.
Тайна вихревой спонтанной конденсации. Кейс от МЭИ
И здесь ключ к разгадке.
Суперсовременная экспериментальная база проблемной лаборатории турбомашины МЭИ. Исследовались процессы вихреобразования и конденсации при обтекании пластин, цилиндров и сопловых турбинных решеток.
Базовое оснащение эксперимента: комплексный стенд пародинамической трубы – скорости пара до – транс и сверхзвуковые. Рабочая часть с прозрачными кварцевыми стеклами. Инструментарии:
– Методы лазерной диагностики структуры пара сверхскоростных, двухфазных потоков;
– Теневой оптический прибор ИАБ -451 (метод Теплера);
– Сверхскоростная фоторегистрирующая установка (СФР – 2М). Скорость до 2,5 млн. кадров в секунду;
– Другие классические методы термо и пневмометрии в газотермодинамике.
На основании комплексных исследований и анализа показано, что вихревая дорожка (рис. 2–2) является генератором интенсивной конденсации пара при отсутствии переохлаждения основного потока. Размеры капель ≈ м. Причина – резкое понижение температуры в ядре вихря (рис 2–3), достижение предельного перенасыщения и как следствие – спонтанное (внутри вихревое) образование жидкой фазы («Кровь шайтана»).
Рис. 2–2. Расположение вихрей за пластинкой, обтекаемой потоком пара. (Опыты МЭИ)
Рис. 2–3. Распределение термодинамических параметров в вихре.
Бросок кинжала внутрь смерча – провокация спонтанной конденсации. Резкое выделение тепла приводит к разрушению смерча (почему бы и нет).
Открытие спонтанной конденсации в вихревых закромочных следах привело к осознанию и развитию концепции влагообразования по схеме гетерогенной конденсации в турбинах влажного пара АЭС.
Фрактальность турбулентности
Дорожка Кармана, или порядок из «Хаоса».
Парадоксальный на первый взгляд процесс самоорганизации.
Ощущение турбулентности как неуправляемого хаоса скорее эмоциональное, чем естественно-научное, а фрактальность – прообраз самоорганизации.
Фракталы – это структуры, состоящие из частей, которые в каком-то смысле подобны целому (самоподобные). Это означает, что небольшая часть фрактала содержит информацию о фрактале. В любом масштабе мы всегда видим одно и то же, или нечто подобное. По идеологии создателя фрактальной геометрии Б. Мандельброта «Фрактальное мышление позволяет обнаружить закономерность в хаосе».
Создав фрактальную структуру объекта, мы можем с высокой точностью прогнозировать поведение реального прототипа, проводя компьютерный эксперимент с фракталами.
И здесь Б. Мандельброт однозначен: «Для природы характерен именно фрактальный способ самоорганизации».
Фрактальное моделирование позволяет исследовать и репрезентовать поведение динамических систем.
Компьютерные эксперименты с фрактальными моделями позволяют воспроизводить явления и процессы, невозможны в реальном мире.
Фрактальные структуры отмечаются во многих областях реального мира. Ветви дерева, структура легких, графики данных о продаже акций, облака, снежинки, система кровообращения – все они обладают самопохожестью.
Фрактальные модели позволяют обнаружить отдельные закономерности и упорядоченность даже в таких системах, в которых на первый взгляд присутствует только беспорядок и хаос.
Генерируемые компьютерными программами искусственные изображения фракталов зачастую настолько схожи с естественными природными объектами или явлениями, что их очень сложно отличить друг от друга. Примеры фрактального моделирования (фрактальная геометрия) картография – при изучении форм береговых линий, русел рек. Биология – при анализе строения кровеносной и нервной системы, бронхиального дерева (рис. 2–4). Отмечаются также попытки фрактального моделирования социальных и политических процессов.
Рис. 2–4. Кровеносная система легких человека.
В плане любимой газотермодинамики один из впечатляющих и красивых проявлений фрактальности является знаменитая вихревая «Дорожка Кармана».
Кстати, в случае Кейса от МЭИ (тайна вихря) именно исследование этого процесса позволило открыть и обосновать тайну «росы».
Всего лишь два примера, но каких!
1. Дорожка Кармана при обтекании острова (снимок из космоса (рис. 2.6)
2. Вихревая дорожка при обтекании шара
Исследованиям вихревой «дорожки Кармана» посвящена масса работ и публикаций, в том числе и автора.
Порядок через хаос – концепция знаменитого Ильи Пригожина, близкому автору по взглядам.
Рис. 2.6. Дорожка Кармана при обтекании острова
Рис. 2–7. Расположение вихрей за пластинкой, обтекаемой потоком пара
Восторги от познания тайн турбулентных вихрей – понятны, как и цель нашей книги – вовлечение в профессию.
Глава 3. Газотермодинамика и фазовые переходы
«О резкости» фазовых переходов