МАКРОТУРБУЛЕНТНЫЕ СТРУКТУРЫ В РЕЧНОМ ПОТОКЕ И ГИПОТЕЗА АКВАЦИТОВ
П.В. Полуян,
ведущий инженер ОАО «Енисейгеофизика, г. Красноярск.
(polyan2002@mail.ru)
Представьте, как тысячи шариков катятся по наклонному желобу – это упрощенная модель речного потока. Но уже здесь очевидно, что поступательное движение неразрывно сопряжено с вращением, хотя в традиционной гидродинамике течение жидкости – это, в первую очередь, поступательное движение непрерывной массы, изменчивой, но внутренне стабильной. Отсутствует понятие о потенциальной энергии вращательной компоненты потока, а то, что называют турбулентностью, понимают в качестве случайной хаотичности, энергия которой теряется в процессе диссипации.
В данной статье мы укажем круг явлений, где фундаментальный статус вращения очевиден. Наша цель – сформулировать качественно новое представление о вращательном потенциале тороидальных водяных вихрей, которые, по нашему мнению, играют важную роль в динамике движения реки. Мы утверждаем, что полная энергия потока распределена между поступательной и вращательной компонентами. В зависимости от условий пропорция меняется – между компонентами идет энергообмен. Наша теория подтверждается наблюдениями и может быть проверена экспериментально. Она объясняет работу нестандартных турбин, утилизирующих энергию вращательной компоненты (такие устройства созданы сибирскими инженерами и запатентованы).
В конце статьи высказана гипотеза о постоянном присутствии в воде микровихревых структур – они есть в жидкости, даже находящейся в состоянии гидродинамического равновесия.
Рассмотрим подтверждающие факты.
Известна стационарная ячеистая конвекция, которая устанавливается в жидкости меж двух плоскостей при наличии градиента температур. Эти ячейки Бенара – пример диссипативной структуры. На рис. 1 дана картина стационарных ячеек Бенара в сравнении с картиной, которую можно наблюдать на поверхности реки Енисей в районе г. Красноярска, где также отчетливо видны ячейки – зоны с выпуклой зеркальной поверхностью, перемежающиеся областями нерегулярных волн. Как показывают наши наблюдения, гладкие участки поверхности возникают вследствие выхода из глубины значительных объемов воды.
На рис. 2 (фото автора) представлены крупным планом такие области с четкими границами. Углубление в центральной части области делает её похожей на расплывшийся калач из теста. Граница области структурирована – как бы образована кольцевыми вихрями, нанизанными на искривленный контур.
В целом структура напоминает связку баранок, поэтому мы предлагаем так ее и называть. Подобные «связки баранок» возникают и существуют в пределах считанных минут, постепенно исчезая под напором окружающей воды. Процесс возникновения «баранок» обусловлен внутренними особенностями потока енисейской воды и не зависит от внешних условий (он быстро возобновляется после прохождения по реке скоростного судна). Объем воды, поступающий на поверхность в момент образования «связки баранок», довольно значительный и несет большой импульс – замкнутый контур такой гирлянды охватывает площадь до 10 кв. м. и явственно возвышается над уровнем поверхности.
Описанные здесь структуры известны. Например, спортсмены-байдарочники, сплавляющиеся по горным рекам, именуют эти турбулентности пренебрежительным прозвищем «грибы-поганки» – их считают следствием вертикальных затопленных струй, поднимающихся снизу вверх. Утверждают, что в горной реке часть воды под влиянием порожистого русла уходит в глубь, вытесняя оттуда воду, которая поднимается к поверхности в виде «грибов». Однако наши наблюдения реки Енисей показывают, что на участках, где этот крупномасштабный поток воды течет в ровных берегах и в отсутствии каких-либо препятствий, завихряющих ламинарное течение, тем не менее, имеется обильная вертикальная турбулентность в виде «грибов» или, как мы говорим – «связок баранок». При этом ячеистая структура покрывает чуть ли не всю площадь реки. Мы считаем, что вышеприведенное объяснение причин вертикальной турбулетности неверно.
Судя по всему, существует иной процесс, механизм которого мы представляем так. Если мощная река движется в достаточно прочном скальном русле, ее общая энергия, приобретаемая массой воды за счет перепада высот, не может полностью реализоваться в кинетической энергии поступательного движения. Грубо говоря, энергия не может «протиснуться» через узкое русло и вынуждена искать другую форму, где она могла бы на время запасаться. Такой своеобразной формой и служат тороидальные завихрения. Судя по всему, реализуется некий каскадный процесс, когда возникающие у дна микрозавихрения начинают каскадно складываться, рождая все более крупные тороидальные вихри. (Характер таких каскадных процессов математически описан А.Н. Колмогоровым и В.Е.Захаровым.) В итоге к поверхности поднимаются уже достаточно крупные «калачи», которые там распадаются в ходе обратного каскадного процесса – сначала на «связки баранок», которые потом, в свою очередь, распадаются на более мелки вихри, пока процесс каскадного порождения не начинается вновь. Таким образом, внутри речного потока все время существует круговой процесс, который аккумулирует часть энергии в виде организованной вращательной компоненты.
Рис. 3 – Большие «калачи», поднимают к поверхности значительные объемы воды, распадаются на связки «баранок», которые, в свою очередь, возникнув – тоже распадаются, чтобы потом цикл повторился снова.
В таком круговом процессе, конечно, происходит и диссипация энергии, но рассеиваемая энергия гораздо меньше той, которая циркулирует. «Калачи» и «связки баранок» мы предлагаем отнести к типу диссипативных структур, но поскольку сложный каскадный процесс связан в первую очередь не с диссипацией, а с необходимостью аккумулирования части энергии потока, мы предлагаем выделить их в особый вид и назвать явление – «аккумуляционно-диссипативные структуры» (АД структуры).
Целесообразно привести рассуждения И.Пригожина о диссипативных структурах –конвективных ячейках. «Конвекцию Бенара можно представлять себе следующим образом: слабые конвективные токи, возникающие как флуктуации относительно среднего состояния, существуют всегда, но ниже некоторого критического градиента температуры эти флуктуации затухают и исчезают. Если же мы превышаем критическое значение градиента температуры, то некоторые флуктуации усиливаются и порождают макроскопическое течение. Возникает новый молекулярный порядок, по существу гигантская флуктуация, стабилизируемая за счет обмена энергией с внешним миром. Этот порядок характеризуется возникновением того, что принято называть «диссипативными структурами». (Илья Пригожин, «От существующего к возникающему», М.: «Наука», 1983, с.104-105.)
Теперь легко понять основное отличие наших структур от конвективной ячейки. Они возникают за счет внешнего подвода энергии – масса воды приобретает энергию, двигаясь по наклонному руслу: большие «калачи», поднимающие к поверхности значительные объемы воды, распадаются на связки «баранок», которые, в свою очередь распадаются, чтобы потом цикл повторился снова. Эти структуры зарождаются и умирают, и вновь зарождаются для того, чтобы аккумулировать в организованном вращении часть гидродинамической энергии. Таким образом, общая энергия речного потока складывается из кинетической энергии поступательно движущейся массы воды и вращательной энергии сложной динамической структуры кольцевых вихрей, возникающих и существующих в текущей жидкости.
Если ранее стесненный поток реки выходит на равнину, где поступательное движение уже способно переносить всю энергию потока, вращательная компонента минимизируется, то есть тороидальные завихрения уже не приобретают очевидных видимых форм, но продолжают существовать неявно. Иными словами, речной поток – это не механический перенос массы воды, а сложноорганизованный процесс, где между собой связаны аккумуляционно-диссипативные структуры и поступательное движение жидкости. Подводя итог, еще раз подчеркнем: в рамках нового понимания теперь следует энергию речного потока представлять состоящей из двух связанных компонент – поступательной и вращательной. (Это как бы две части комплексного числа – действительная и мнимая.) Связанность их проявляется в том, что в зависимости от условий течения (формы и прочности русла реки) пропорция перераспределения энергии по двум компонентам меняется.
Возникает мысль о практическом использовании вихревой энергии потока. Такое устройство создано инженерами Леневым Н.И. и Мартьяновым А.В. (Патент на изобретение РФ № 2166664 «Двигатель для утилизации энергии текущей воды»).
4.
Создавалось устройство (рис. 4.), как следует из названия патента, для утилизации кинетической энергии поступательного движения. Однако в процессе испытаний обнаружилось, что не соблюдается баланс – извлекаемая энергия + энергия вытекающей воды оказались выше энергии воды, втекающей в турбину. Из горизонтально двигающегося потока удается извлечь энергию, но поступательная скорость потока на выходе из турбины оказывается по крайней мере не меньше, чем на входе. Появляется догадка, что в потоке содержится какая-то дополнительная энергия, которую турбина и утилизирует. По нашей интерпретации, эта дополнительная энергия и есть вращательная компонента, незаметно содержащаяся в потоке, поступающем в турбину. Конструкция вертикальных лопаток устройства оказалась такой, что энергия, организованная в тороидальных структурах, извлекалась в процессе взаимодействия вихревых потоков с лопатками турбины. Лопатки турбины рассекают вихри и забирают часть их энергии, поскольку эта энергия столь же упорядочена и организованна, как и кинетическая энергия направленного движения потока. Данный гидродинамический эффект пока не изучен.
Предложенная нами интерпретация позволяет наметить эксперимент, в котором будет проверена и ее правильность, и, соответственно, верность предложенной здесь теории. Можно провести опыт в лабораторных условиях. В желоб с устойчивым ламинарным потоком воды помещается такая же турбинка, преобразующая вихревую компоненту в электричество. Сделаем так, чтобы ламинарный поток был слаб и не мог сдвинуть лопасти турбины. Затем на расстоянии от турбины будем насыщать воду тороидальными вихрями. (Типичное устройство, порождающее вихри с помощью импульсных биений, известно как аппарат Тэта – в опытах Роберта Вуда с кольцевыми вихрями. Есть два способа продуцирования вихревых колец в жидкости: с помощью цилиндра с бортиком по открытому краю и с помощью вибратора в форме круглой пластинки. При первом способе, объем воды, вытолкнутый из цилиндра, движется далее в виде кольцевого вихря. В опытах, когда вихрь создавался с помощью взрыва капсюля в металлическом цилиндре, тороидальный «водяной снаряд» выскакивал над поверхностью воды. При втором способе, над вибрирующим кругом – миллиметровый сдвиг вверх-вниз – создается столб, состоящий из кольцевых вихрей, которые располагаются в виде перевернутой детской пирамидки. Важно, чтобы импульс, создающий вихри был направлен ортогонально ламинарному потоку и не приводил к увеличению его скорости. Теперь в потоке, который движется с прежней скоростью, крутятся невидимые вихри, – начавшаяся работа измерительной турбины докажет существование вихревой компоненты и позволит сделать количественные оценки. Мы полагаем, что только после этого имеет смысл заняться теоретическим моделированием (поэтому в нашей статье отсутствуют математические формулы). Сначала надо уяснить суть новых представлений и проверить их верность в эксперименте.
Следует отметить, что развиваемые здесь новые гидродинамические представления имеют многообразные практические выходы. Так, например, на предприятии, где работает автор статьи, изготавливаются водные источники сейсмических колебаний («Енисей» ВЭМ-100). Смысл технологии в том, что при помощи сильного короткоходового электромагнитного движителя производится импульсное воздействие на массу воды под аппаратом. В воде возникает упругая волна, которая, дойдя до дна реки, уходит в землю, что позволяет вести традиционную сейсморазведку. Эта технология оказалась намного эффективнее обычных пневматических пушек, используемых для ведения сейсморазведки в транзитных береговых зонах. Однако в данном процессе крайне существенно, чтобы энергия воздействия вся уходила на создание кинематического сдвига массы воды – на создание волнового фронта, а не растрачивалась на рождение тороидальных завихрений. Соответственно, концепция двухкомпонентности энергии потока нуждается в проработке, чтобы определить – в соответствие с какими законами происходит перераспределение энергии потока по двум компонентам.
5.
Рис. 5 – батарея электромагнитных импульсных источников сейсмических колебаний «Енисей» ВЭМ-100 во время сейсморазведки на р. Ангара.
Еще одна область практического применения теории связана с ее распространением на область микроявлений. Существование вихревой части в общей энергии потока жидкости рождает догадку о возможном существовании такой же компоненты в состоянии неподвижности, где поступательная компонента отсутствует, точнее – выродилась в нерегулярное движение флуктуационных токов. Сохранение момента импульса – фундаментальный закон физики. Если макротело вращается, а затем разрывается на части – каждая из частей обладает вращательным моментом. Поэтому наличие макротороидальных вихрей в потоке жидкости и их распад логично подводят к мысли о существовании микровихревых колец в стационарном состоянии покоя. Допустимо, что в обычном стакане воды содержится множество невидимых глазу монад – микротороидальных завихрений (будем именовать кольцевые тороидальные микровихри «аквацитами»). Логично предположить, что процесс образования и распада аквацитов может совмещаться с условиями теплового равновесия, существуя в области флуктуаций. Если из высокоэнергетических молекул создаются в жидкости нерегулярные флуктуационные токи, то микротороидальные завихрения также могут возникать в ходе этого процесса. Вероятнее всего тороидальные вихри соответствуют аттракторам двухзвенного маятника с подкачкой энергии, а подкачка осуществляется за счет внешних флуктуационных толчков соответствующего направления. При этом время жизни аквацита зависит от того, насколько «удачно» выстраивается последовательность флуктуационных толчков. Например, распределение взвеси в столбе жидкости отражает последовательность флуктуационных толчков для той или иной частицы, аналогично и для аквацитов, только здесь вместо высоты подъема – время жизни.
Каждый аквацит имеет небольшое время существования, но во всякий момент времени определенное количество аквацитов содержится в объеме жидкости. Так что можно, например, попытаться обнаружить аквациты прямым микроскопическим наблюдением в тонком слое растекшейся капли. Предложим несколько идей для экспериментального исследования аквацитов.
1. Аквациты могут влиять на оптические свойства жидкости. Если внешнее электромагнитное воздействие влияет на ориентацию аквацитов, это должно сказываться на оптических особенностях рассеивания света.
2. Возможно, что наблюдение конвекционных струй в нагреваемой жидкости, связано с образованием трубок из аквацитов – они препятствуют диссипации энергии струек и делают их видимыми.
3. Вероятно, быстрые молекулы легче покидают поверхность жидкости при вылете из отверстия внутри кольца микровихря, тогда увод поверхностных аквацитов с помощью внешнего поля нарушит баланс между насыщенным паром и жидкостью в каком-либо изолированном объеме.
Если аквациты существуют, они безусловно оказывают влияние на особенности химических реакций, работу внутриклеточных механизмов, функционирование кровеносной системы – это все перспективные исследования. С ориентацией аквацитных вихревых диполей, возможно, связаны гипотетические информационные свойства воды.
Экспериментальное обоснование фундаментальности вращательной компоненты движения откроет новые подходы в гидроэнергетике и термодинамике, а также позволит утвердить статус новых теоретических концепций – подчеркнет значимость алгебраических моделей, основанных на гиперкомплексных числах (алгебра кватернионов описывает трехмерное вращение).
Мы выражаем надежду, что изучение макротурбулентных тороидальных структур в крупномасштабных потоках будет продолжено в союзе со специалистами – теоретиками и практиками, которых мы приглашаем к сотрудничеству. Мы также надеемся, что гипотеза о существовании аквацитов получит экспериментальное подтверждение и поможет по-новому взглянуть на состояние гидродинамического равновесия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Полуян П.В. Макротурбулентные структуры в крупномасштабных потоках жидкости. // На сайте http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6312.html Содержание предлагаемой статьи также опубликовано в научно-популярной книге автора – Полуян П.В. «Вихри во времени», Изд-во ЭКСМО, М., 2007.
2. И. Пригожин, «От существующего к возникающему», Изд-во «Наука», М., 1983, с. 104-105.
3. Ленев Н.И., Мартьянов А.В. Двигатель для утилизации энергии текущей воды / Пат. 2166664 (Россия). Опубл. 10.05.2001.
4. Об особенностях использования тороидальных вихрей подробная информация есть на сайте В.Н. Шихирина www.elastoneering.com, видео по теме http://youtube.com/user/elastoneering. См.: Шихирин В.Н. VTortexТМ высшая форма структуризации текучей среды в Природе. Статья из сборника материалов 3-й Международной научно-практической конференции Торовые технологии, 23-24 ноября 2006 года, Иркутский государств. технический университет, c. 158-179, www.evgars.com/vtortex.htm
