Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Мне довелось встречаться со многими людьми, ода­ренными, даже блистательно талантливыми, но люди большой души, способные активно делать добро, по­падались мне реже. Возможно, в век НТР этот талант души не то что более редок, а менее заметен. Не могу простить себе, что, находясь бок о бок с таким челове­ком, как Евгений Сергеевич, не понял до конца его чистую и твердую натуру, скрытую под оболочкой скромности.

Между тем прибор Ливенцова изготовили. Зная дальновидный и непредвзятый подход Евгения Серге­евича к проблемам и людям и доброе отношение ко мне, я под шумок продолжавшихся еще споров о судь­бе темы снова приступил к опытам, благо стенд у меня не отобрали. Забавно было смотреть, как вереница мел­ких капель сыпалась из-под снующего бойка и прыгала по экрану с улавливающим слоем, оставляя аккуратные вмятинки. Мы получали частицы любых нужных раз­меров, но нижний предел установить так и не смогли.

Однажды студентка-практикантка МФТИ, которая выполняла эту работу, прибежала ко мне чуть не плача:

— Ничего не получается, нет капель!

— Как нет, прибор испортился?

— Вроде работает, а капель не видно.

Садимся вместе за прибор. Боек исправно стучит в жидкий мениск, а капель и отпечатков не видно. Стран­но! Всматриваемся в срез подающей трубки в луче силь­ного рефлектора, меняем углы падения света... Вот сверкнули мельчайшие блестки-пылинки, капли витают в воздухе. Размер, видимо, около 50—80 микрометров, их носит наше дыхание и конвективные токи воздуха.

Дальнейшие опыты с применением каплеобразователя показали, что и мелкие капли тоже дробятся — явле­ние критической деформации было универсальным. Вы­числить критерий дробления, однако, оказалось труд­ным делом: мелкие капли увлекались струей воздуха, и точно замерить их скорость в момент дробления не удавалось.

Впоследствии совместно с дипломником Сашей Ли­патовым мы решили задачу математически и написали статью о движении и деформации капли в поле ско­ростей свободной струи. По данным опытов мы вычис­лили критерий дробления, он оказался равным пример­но 20. Это согласовывалось (по порядку величины) с результатами других исследователей, которые нашли критерий, фотографируя капли внутри прозрачного сопла.

Почему возникло расхождение с прежними результа­тами? Дело в том, что в первой серии наших опытов с довольно крупными частицами капля подвергалась вне­запному воздействию аэродинамических сил, сразу по­падая в поток (точнее, в ядро потока) большой ско­рости — происходила быстрая, ударная деформация. Во второй серии опытов капля постепенно наращивала от­носительную скорость в убыстряющемся газе, падая в пограничном слое свободной струи; происходила мед­ленная, равновесная деформация, когда для дробления требуются большие силы, чем при динамическом удар­ном воздействии. Это характерный пример, когда ре­зультаты эксперимента правильно и полно осмысливаются много позже.

Проблема дробления капель пережила второе рожде­ние в связи с конструированием ракет на твердом топ­ливе, в которых вместе с газом движутся капли рас­плавленного металла. Более тяжелые частицы конден­сата «всю дорогу» отстают, а поток стремится их увлечь, расходуя энергию (затрачивается впустую и часть теп­ла, уносимого вместе с нагретыми частицами). Относи­тельная скорость частиц растет, достигая максимума в горловине сопла. Числа Вебера для некоторых капель становятся критическими, и капли дробятся при We = 20, что происходит, как мы знаем, когда постепенно возрас­тает относительная скорость.

В полете мелкие капли догоняют более инерционные крупные и все время происходят многочисленные соуда­рения, в результате чего одни капли поглощают другие. Одновременное протекание противоположно направлен­ных процессов (дробления и слияния) и определяет рас­пределение размеров капель в спектре конденсата.

Все эти пертурбации ученым удалось учесть и опи­сать в сложных уравнениях газодинамики двухфазных течений. Современные ЭВМ решают их, позволяя оценить потери реактивной тяги еще за столом конструк­тора до создания двигателя. Инженерные расчеты долж­ны, как положено, подкрепляться измерениями. И сно­ва встала задача определения спектра частиц конденса­та в тракте РДТТ. Она оказалась еще головоломней прежней: ведь капли окислов были на порядок меньше форсуночных, от долей до десятка микрон, и ловить их надо было на срезе сопла в сверхзвуковом потоке при высоких температурах. Но в науке уже сменилась целая эпоха, век назывался теперь атомным, космическим, электронным. Измерительная техника шагнула далеко вперед. Что касается обработки уловленных частиц в пробе, то теперь имеется специальная аппаратура для автоматического измерения и расчета состава конгломе­рата различных мелких объектов.

* * *

Основным источником капель в наших опытах, поми­мо генератора однородных частиц, оставалась центро­бежная форсунка. Она стояла во всех камерах сгора­ния, с которыми мы работали, хотя изредка и делались попытки применять прямоструйную подачу. Однажды кто-то сказал: «Все центробежная да центробежная, свет что ли на ней сошелся клином! Давайте поищем другие распылители, может, они окажутся эффективней».

Мы обратились к литературе, опыту других исследо­вателей. Выбор оказался довольно обширным; много­численное семейство распылителей, применяемых в раз­ных отраслях техники, можно было разделить на три основные группы по принципу взаимодействия жид­кости со средой: механические, газовые, или пневмати­ческие, электрические. Простейшей форсункой является струйная: круглая струя жидкости вытекает из цилинд­рического сопла, образуя при распаде факел распыливания с малым углом. Требуется много распылителей, чтобы равномерно напитать топливом объем камеры. Факел можно расширить, если струю подать под углом к воздушному потоку. Он расплющивает струю, и воз­никает жидкий лепесток, как бы элемент круговой пеле­ны центробежной форсунки.

Один из вариантов прямоструйной форсунки пред­ставляет собой устройство со струями, соударяющимися под углом, или со струей, бьющей в дисковый экран, с которого она стекает в виде цилиндрической пелены — жидкого «стаканчика», переходящего в бахрому стру­ек и капель.

Наиболее древний из вращающихся распылителей — известное Сегнерово колесо. В нем жидкость вытекает из загнутых радикальных трубочек касательно к окруж­ности вращения. Это одно из проявлений реактивной силы. Такой принцип вращения с помощью жидкой или газовой струи был знаком еще Герону Александрий­скому, античному механику и математику.

В технике используется также подача струи на внут­реннюю поверхность вращающегося барабана или дис­ка, где жидкость растекается тонкой пеленой, рас­падающейся после удара о диск. Мы уже упоминали разновидность такого распылителя: при «головокружи­тельно» высоких оборотах (и очень малых расходах жидкости) он дает одинаковые капли для специальных опытов.