Шрифт:
Однако для серьезных наблюдений глаз был, конечно, бессилен, требовалась искровая фотография. Только она могла сделать невидимое видимым. Дальнейшие эксперименты с применением этого метода показали «водную феерию» распада во всем великолепии (рис. 11).
Рис. 11. Распад пелены центробежной форсунки
На поверхности пелены, вытекающей из сопла форсунки, начинают развиваться волны возмущений. Физика та же, что и в случае цилиндрической струи, только проявляется в более сложных формах.
Не сразу мне удалось разобраться в путаном кружеве распада. Сначала факел распыливания представлялся каким-то струйным «веником». Потом, наоборот, в глаза полезли кольцевые структуры. Картина складывалась постепенно из просмотра многих серий фотографий. Наконец я увидел: на пелене развиваются две группы волн (рис. 12). Гребни первой, идущей по движению струи, видны на контуре ее границы. Они опоясывают поток, стремясь превратить пелену в кольца, нанизанные на ось форсунки. Вторая группа идет по окружности пелены (перпендикулярно первой) и старается разделить жидкость на веер струй, расходящихся из центра сопла.
Эти волны видны на фотографии у корня факела («ребристая структура»). В зоне распада («туманнозыбкая» область, которую я силился разглядеть невооруженным глазом) обнаруживаются кольца или волнистые круговые нити. Это отделившийся гребень кольцевой волны антисимметричного возмущения. Нить рвется на фрагменты, превращающиеся в капли,— результат развития возмущений на каждом отдельном кольце.
Рис. 12. Факел распыливания центробежной форсунки: а — рисунок по фотографии, сделанной при большой экспозиции, б — схема распада пелены (образование волн)
При более высоких давлениях жидкости — в десятки атмосфер — с поверхности срываются в виде роя капель гребни мельчайших волн, прежде чем кольцо длинноволновых колебаний полностью сформируется. Это здесь при больших скоростях жидкости возникают мелкомасштабные волны возмущений.
Я долго любовался искровыми фотографиями, которые раскладывал пасьянсом на своем столе. А как объяснить все это теоретически? Провести точное математическое решение для такого сложного течения не представлялось возможным. «Смело упрощайте задачу,— вспомнил я совет старших, более опытных исследователей,— обрубайте боковые ветви, только не зарубите сам ствол...»
«Волны возмущений начинаются сразу на рюмочке гиперболоида, а он близок к цилиндру,— рассуждал я.— Если полый цилиндр развернуть, получится плоская пелена; с плоским течением уже можно справиться». Использовав метод малых возмущений из работ Рэлея и Г. И. Петрова, я нашел решение. Течение оказалось неустойчивым, определилась оптимальная волна опт — слой должен был распадаться на фрагменты с характерным размером волны.
Доклад на эту тему я делал в один из холодных дней послевоенной зимы, стоя у доски в огромных подшитых валенках; мел не слушался замерзших пальцев. В нетопленом конференц-зале носились «дышки», но аудитория была многочисленной. И вскоре все согрелись от тесноты и горячей дискуссии. Выступали инженеры из разных конструкторских бюро.
— Помогите определить спектр распыливания наших форсунок. У нас уже накопился большой опыт по отработке камер, теперь необходимо сопоставить их параметры с параметрами спектра.
Стало ясно, что необходимое инженерам количественное решение задачи о спектре математике пока не дается, нужно скорей научиться измерять каплю.
Прошли многие годы, прошелестели многие сотни страниц научных работ теоретиков в попытке решить задачу спектра, но «воз и ныне там». А требование практиков мы через некоторое время удовлетворили — пришел на помощь эксперимент.
Перипетии судьбы
Итак, распад струй, разрыв непрерывности, который представлялся на первый взгляд мгновенным скачком, при внимательном исследовании оказался сложным многоступенчатым процессом. Но вот из катастрофы распада родилась капля. Как она ведет себя и движется дальше? Какова форма летящей капли?
Обычно следует ответ, что капля, двигаясь, вытянется под действием воздуха вдоль траектории, станет обтекаемой. Действительно, каплеобразная форма — символ хорошо обтекаемого тела и стремительного полета. Память подсовывает и образ из другого, соседнего, ряда — капля, висящая на пипетке или кончике пера. Но ответ этот — классический пример ложного хода интуиции. Если взглянуть на искровые фотографии движущихся капель, можно заметить, что они в самом деле деформированы встречным потоком, но многие, особенно крупные, капли странным образом вытянуты не вдоль, а поперек линии полета. Капля становится не более, а менее обтекаемой. Рис. 13 объясняет этот кажущийся парадокс.
На схеме показано распределение нормальных давлений (перпендикулярных поверхности обтекаемого шара): значками « + » и «—» обозначены соответственно зоны повышенного и пониженного давления (сравнительно с атмосферным и статическим давлением внутри жидкости). Лобовые силы плющат каплю, другие вытягивают ее с боков и у «кормы». Получается (вместо обтекаемой сигары) дискообразное тело.
Капля, срывающаяся с пипетки или водопроводного крана, действительно имеет поначалу «каплеобразную форму» — тяжелая жидкость в «мешке» растягивающейся капиллярной пленки, в первый момент скорость падения мала, и аэродинамические силы не оказывают влияния. Но может все-таки случиться, что летящая капля вытянется вдоль движения. Это произойдет, если силы трения, касательные к жидкой поверхности, превзойдут нормальные давления, например, для медленно движущейся вязкой капли или капли, «ползущей» в вязкой среде. Вопрос о форме капли в потоке совсем не прост — ему посвящены многие работы и тонкие эксперименты. Выяснилось, что капля не сохраняет постоянной формы — она «дышит», находится в состоянии колебаний. Мы видели: на поверхности движущейся капли силы в разных точках различны, значит, должны возникнуть внутренние токи жидкости от большего к меньшему давлению. Опыт с мелким порошком внутри жидкости показывает, что в капле возникают вихревые токи.