Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Сорвавшись с кромки диска или барабана, жидкая частица имеет две составляющие скорости: высокую вращательную — самого распылителя и меньшую ради­альную — начального течения жидкости от центра к периферии. Результирующая скорость посылает каплю по наклонным прямым. Снижая обороты (что укрупня­ет капли), можно с помощью скоростной фотографии увидеть своеобразный механизм процесса распылива­ния.

В случае небольших расходов жидкости (первый режим распыливания) по границе диска нарастает жид­кое кольцо с развивающимися волнами колебаний. Каждая волна вытягивается набухающим отростком под действием центробежных сил и отделяется в виде капли. При увеличении расхода наступает второй ре­жим распыливания — отростки на жидком кольце пре­вращаются в длинные нити, распадающиеся на капли. Если расход будет расти дальше, нити не смогут про­пустить всю жидкость, и наступает третий режим рас­пыливания: периферийное кольцо целиком отделяется от кромки, вытягивая за собой жидкую пелену с диска. Ее распад дает уже совсем неоднородные частицы, по­добно пелене центробежной форсунки. Соответствующее устройство требует затрат дополнительной энергии, но это позволяет получать большие расходы и регулиро­вать угол распыливания изменением числа оборотов.

Акустические и, в частности, ультразвуковые фор­сунки используют высокочастотные колебания, которые воздействуют непосредственно на жидкость или через граничащий с ней воздух. Колебания, передаваемые вибрирующей пластинкой или стержнем, соединенным с генератором, вызывают в жидкости стоячие волны, с гребней которых срываются капли, образуя факел распыливания. Такой интенсифицированный процесс распада в струе или пелене способствует измельчению жидких частиц и делает спектр более однородным, чем в других типах распылителей.

В газовых или пневматических форсунках (к ним принадлежит уже знакомый нам пульверизатор) есть специальные устройства с каналами, которые направля­ют воздух с большой скоростью соосно или под углом к жидким струям. Иногда воздуху придают вращение или пускают через полость вихря центробежной форсун­ки. Этим достигается дисперсность более высокая, чем в механических распылителях, ценой усложнения кон­струкции и дополнительного расхода воздуха.

В установке с электрическим распыливанием струя подается в электрическое поле между положительным и отрицательным полюсами. Поле вызывает на струе некоторое неравномерное распределение давления, ко­торое деформирует струю, ускоряя рост неустойчивости и распад.

Области применения упомянутых распылителей (а их конструкции, порожденные пытливой изобретательской мыслью, все прибывают) различны: струйный и щеле­вой используются в поршневых двигателях внутреннего сгорания и требуют высоких давлений подачи — в 100 и более атмосфер. При очень малых соплах (в доли мил­лиметра) они могут давать мелкое распыливание, но здесь возникает проблема засорения отверстий и необ­ходимости специальных фильтров. Форсунки со сталки­вающимися струями применялись иногда в ЖРД, а сей­час — в противопожарных и других устройствах.

Вращающиеся распылители используются в химиче­ской промышленности для распыливания вязких жид­костей и суспензий. Газовые форсунки устанавливают­ся в карбюраторных двигателях и в различных техноло­гических аппаратах (нанесение покрытий и т. д.). Аку­стические распылители находят применение в технике приготовления порошков, в ультразвуковых горелках, в фармакологии для приготовления особо тонкодиспергируемых лекарственных эмульсий (они хорошо всасы­ваются тканями организма), в различных топках, су­шилках, в особых очистительных устройствах, пер­спективных в связи с проблемой защиты окружающей среды. Электрическое распыливание применяется в не­которых технологических процессах — окраске мелко­дисперсным красителем, сушке материалов и т. д.

Типы и конструкции распылителей разнообразны, но в основе их лежит единый принцип: придание потоку жидкости более неустойчивых форм и конфигураций (тонкой пелены) и «подстегивание» процесса роста волн возмущений различными внешними воздействиями (ме­ханическими вибрациями, электрическим полем, направ­ленным потоком газа и т. п.).

«Перелопатив» груду журналов и монографий, мы убедились, что большинство распылителей имеет свою узкую «профессию» и лишь центробежная форсунка наиболее универсальна, проста и компактна. Удовлетво­ренные, мы вернулись к ней с новым чувством уваже­ния. Гибко изменяя ее параметры r c , R , r вх , п, иначе говоря, геометрическую характеристику

A = r cR / r вх 2n

- можно всегда вписать форсунку в самые разнообразные условия камеры сгорания по расходу топлива, углу рас­пыливания и дисперсности.

Возникло желание на опыте посмотреть эффект, скрытый внутри форсунки со сталкивающимися струя­ми. Установку соорудили почти моментально, подклю­чив к водопроводу трубку с Т-образным тройником, на концы которого надели резиновые трубочки с цилиндри­ческими наконечниками. Их закрепили в химических штативах, направив струи в горизонтальной плоскости друг на друга, под углом 90°. Мы чуть-чуть приоткрыли кран, давая минимальную скорость жидкости. Стеклянно-гладкие струи воды столкнулись в начальной зоне истечения. Ну чего, казалось, особенного можно было ожидать в месте соударения? Облака водяной пыли? Но нет конца изобретательности природы в мире капель и струй. И вот возникла совершенно необычная картина.

Потоки, столкнувшись, расплющились, став тонким прозрачным овалом, расположенным перпендикулярно плоскости осей по биссектрисе угла соударения. Пери­ферия овала очерчивалась жгутами изогнутых струй; часть жидкости была даже оттеснена вспять, оказав­шись позади зоны встречи (задняя вершина овала); граничные струи, обогнув пелену, снова столкнулись в передней вершине овала, и опять под прямым углом; Картина соударения повторилась вторым, меньшим ова­лом уже в горизонтальной плоскости (струи теперь сталкивались в вертикальной плоскости). Так, по зако­ну цепной реакции, нанизываясь друг на друга, протя­нулась витая гирлянда жидких постепенно уменьшаю­щихся овалов—теоретический анализ показал, что это эллипсы. В такой форме явление развивалось при очень малых скоростях истечения, когда силы поверхностного натяжения жидкости сравнимы с аэродинамическими — скоростным напором ρ v 2/2.По мере открывания крана и роста скорости жидкости число овалов уменьшается, пока не начинается распад сразу после первого овала. Конечно, жидкая пелена неустойчива и при медленном течении, и на каком-то звене возникает распыливание, но скорость роста амплитуды волн неустойчивости ока­зывается меньше скорости движения жидкости, и ей удается на время «убежать» от распада.