Вихри Бенара в современной технике

Современная физика широко пользуется термином вихревое движение. И как правило под вихревым движением понимается турбулентное движение. Детерминированных вихрей для современной физики пока не существует. В прекрасном альбоме течений жидкости и газа М. Ван Дайка М. Мир, 1986 только несколько фотографий посвящено вихрям Тейлора и Бенара. Да и то эти вихри носят искусственный характер экспериментального курьёза, несвойственный природе, никак не используемого в моделях современной физики. Природа же эффективно использует свойство упругости неотъемлемую принадлежность вихревого движения. Скажем, в ламинарном потоке на поверхности тела возникает когерентная система парных вихрей Тейлора, двигающихся не в направлении вращения, а в направлении оси вращения. Структура вихрей определена в работе Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226.

​

Т.к. вихри двигаются поперёк потока, то трение скольжения их разрушает только для того, чтобы они возникали вновь и вновь. Направив же вихри по потоку, мы получим естественные вихревые подшипники, трение скольжения заменяющие трением качения. Это свойство вихрей Тейлора природа широко использует при создании цунами и вихрей мёртвой зыби (и те и другие вихри с малыми потерями энергии распространяются на тысячи км.).
Существенно больше повезло вихрям Бенара. Несмотря на то, что теоретики до сих пор их не признали, в современной технике уже не только получены, но и эффективно используются вихри Бенара (использование же вихрей Тейлора природой пока что современной физикой не осознано). В работе <a class="postlink" href="http://www.ogbus.ru/authors/Nevolin/Nevolin_1.pdf" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.ogbus.ru/authors/Nevolin/Nevolin_1.pdf</a> описан гидродинамический излучатель.

​

Внешне излучатель немного похож на трубку Ранке (в которой также формируется вихрь Бенара): имеет два тангенциальных входа. Неточность же этого рисунка заключено в направлении приосевой струи (которая в соответствии с законом сохранения момента количества движения имеет направление вращения обратное направлению вращения пристеночной струи). Но в отличие от трубки Ранка у него нет обратного выхода, да и прямой выход открытый. В чём же смысл этой конструкции? Приведу цитату из работы.
"Опыт показывает, что в случае незатопленного истечения струи жидкости (например, при истечении её в газообразную среду) движение устойчиво и пульсации давления и скорости в потоке отсутствуют. Если же истечение закрученной струи затопленное, т.е. рабочая жидкость в вихревой камере и вещество окружающей среды имеют одну и ту же физическую природу, то в потоке генерируются регулярные пульсации давления, частота и амплитуда которых зависит от скорости истечения и геометрических параметров камеры завихрения, её конструкции и формы сопла. В окружающей среде пульсации давления фиксируются как звук дискретного тона и значительной интенсивности."
При этом в излучателе формируется вихрь Бенара, о чём свидетельствует
" При подаче жидкости через тангенциальное отверстие 2 диаметром d (см. рис. 1.3) внутри камеры завихрения 3 и выходного сопла 4 генератора образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры движется так называемый первичный вихрь (I), имеющий в поперечном сечении форму кольца с наружным радиусом R = D/2 и внутренним rm. Этот поток состоит из рабочей жидкости, подаваемой в генератор. Приосевую область вихревой камеры занимает вторичный вихрь (II), вращающийся как квазитвёрдое тело."

Ещё одной областью технического применения вихря Бенара являются эжекторы (инжекторы). При этом эжекторы существуют двух типов. В первом типе Скоростная струя тянет за собой неподвижную среду. Эти эжекторы используются в водокольцевых вакуумных насосах и при откачивании жидкости, скажем, из трюмов кораблей. Эжекторы второго типа являются усиливающими. Приведу цитату из работы <a class="postlink" href="http://npoema.ru/texts/5" onclick="window.open(this.href);return false;">http://npoema.ru/texts/5</a>.
"Пароводяной струйный аппарат или пароводяной инжектор (ПВИ) был известен достаточно давно, так патент на него был получен французским инженером Жиффаром еще в 1858г. Предполагалось, что значение давления парожидкостной смеси Рс на выходе из него должно быть как у других инжекторов: Рр>Рс>Рн. Однако, хотя такой результат и согласовывался с существующей в то время теорией расчета, на практике наблюдалось, что при определенном сочетании геометрии проточной части и параметров потоков на входах в аппарат, на выходе значение давления могло получать скачок, существенно превышающий давления входных потоков."
Особенно бурную предпринимательскую активность, основанную на этом свойстве эжекторов, развил профессор Фисенко (<a class="postlink" href="http://fisonic.com/term.htm" onclick="window.open(this.href);return false;">http://fisonic.com/term.htm</a>.).

​

Причём все заслуги в описании механизма этого явления он приписал себе. А ведь и конструкция этого устройства, и теория этого процесса была разработана не им. Даю цитату из работы <a class="postlink" href="http://npoema.ru/texts/5" onclick="window.open(this.href);return false;">http://npoema.ru/texts/5</a>.
"В работах к.т.н. Н.Г. Морозова (ВТИ) [2] впервые детально исследовавшего распределение давления по длине проточной части струйных аппаратов при различных режимах работы, еще в 1939-1940г. было предложено объяснение наблюдающегося в диффузоре этих аппаратов скачка давления. Это объяснение основывалось на рассмотрении смеси жидкости с не сконденсировавшимся паром как квазиоднородной эмульсии, к которой приложимы все обычно применяющиеся уравнения движения однородной сжимаемой жидкости, а также понятия о критической скорости, критическом расходе и пр. Н.Г. Морозовым было дано общее уравнение движения такой эмульсии, учитывающее как трение, так и конденсацию (или испарение) и изменение секундной массы струи. Скачок давления в диффузоре объяснялся им как скачок уплотнения, сопровождающий переход от сверхзвуковой скорости струи к дозвуковой с завершением при этом конденсации пара, а величина скачка давления определялась с помощью уравнения количества движения."

Но изложенный механизм, основанный на механизме ударной волны, к физике рассматриваемого явления не имеет никакого отношения. Прирост давления на выходе по сравнению с максимальным давлением на входе является результатом работы вихрей Бенара, создаваемых эжектором. Ведь эксперименты Шаубергера с трубой его конструкции показали, что труба дополнительно подсасывает среду, увеличивая величину расхода через неё. А ведь это и есть увеличения давления среды на выходе по сравнению с давлением на входе. Можно сослаться и на эксперимент brux при отработке конструкции эжектора.

​

Привожу его цитату. "Струя на выходе по виду безобразная, но прирост примерно 12-13 см ,а без эжектора 40-41 см. Расстояние между бугорками на дне ванной 6 см. Метка изолентой это базовая точка. Не знаю что я получил, но судя по внешнему виду струя должна вылетать и тут же падать, а она летит дальше".

​

Безобразность формируется вихрями Бенара. При движении в трубке вихри Бенара катились по твёрдой поверхности. Вылетев же вихри лишаются твёрдой поддержки и принимают безобразный вид. Этот недостаток можно исправить сужением трубки на выходе. Тем не менее, эта безобразность лучше благообразия при вылете струи из круглого отверстия или из обычной трубы. Рисунок взят из альбома Ван Дайка.

​

В эксперименте brux использовалась обычная вода, скорость звука в которой равна 1450 м/сек. А судя по расстоянию, на которая пролетела струя, скорость звука далеко не достигнута. А это свидетельствует о том, что и в эжекторе Фисенко применение механизма ударных волн имеет характер пришей кобыле хвост. Иными словами, и в эжекторе Фисенко также создаются вихри Бенара, которые и создают повышенное давление на выходе по сравнению с давлением на входе. Механизм же СЕ, позволяющий поднять температуру, тот же самый что и в теплогенераторе Потапова, основанном на трубке Ранка. Преимуществом же эжекторов перед теплогенератором Потапова является компактность конструкции и простая настройка параметров эжектора (что и продемонстрировал brux).