Вихревые кольца

Рисунок 10

Третий случай –  второе кольцо при обгоне задевает первое. В результате более интенсивные  потоки второго кольца разрушают  первое. После этого из него могут  образоваться новые маленькие вихри (рис.10б).

Рисунок 11

Рассмотрим другой опыт. Создадим вихревое кольцо, капнув чернилами в воду. Через некоторое время кольцо разделится на несколько колец поменьше, те в свою очередь тоже разделятся и т.д. Это происходит потому, что вода неоднородна и некоторые участки чернильного кольца, движущегося в ней, несколько опережают другие. Чернила более тяжелые, чем вода, поэтому они будут стекаться в те участки, которые движутся впереди. В этих участках формируются утолщения, которые потом превращаются в новые капли. Так будет повторяться еще несколько раз (рис.11).

Одним из видов взаимодействия колец и других объектов является рассеяние вихревых колец. Оно происходит, если вихрь встречает преграду в  виде стенки, а угол траектории движения вихря с плоскостью стенки менее 45°. В этом случае вихрь отталкивается  от преграды, практически без потери энергии вращения (рис.12б). Если же траектория движения вихря перпендикулярна стенке, то вихрь «прилипает» к стенке, а потом «растекается» по ней теряя энергию вращения.

 

Рисунок 12

Б)

А)

Проходя через отверстие диаметром  меньше диаметра вихря, вихрь ускоряется, но затем быстро увеличивается в  размерах и тормозится. Это говорит  о значительных потерях энергии  при преодолении такого препятствия (рис.12а).

3. Вихревые движители.

В последнее время появилось  очень много статей о вихревых образованиях и их использовании, особенно в качестве опоры для полета, постоянно  мелькают описания летательных аппаратов  с опорой на вихрях. В истории были попытки разработки движителей без реакции на внешнюю опору.

Все известные на сегодня способы движения основаны на реактивном принципе. Отталкивания от опоры. Для движения используется или естественная внешняя опора – земная поверхность, вода, воздух, или создаваемая искусственно. Например, ракетный двигатель создает внешнюю опору в виде газовой струи и от нее отталкивается. Но, возможно создать опору для движения и внутри объекта. Оттолкнуться от нее и начать движение. Только что делать с созданной опорой дальше? Это же физическая масса. Когда-то, очень скоро она неминуемо создаст импульс торможения, обратный возникшему импульсу движения. И баланс сил вернется к нулевому результату. По этой причине большинство разработок, например, разнообразных инерционных движителей оказывается неработоспособными. А те, что работают, имеют очень малый КПД.

Для достижения приемлемой эффективности такого движителя  необходимо или сразу уничтожать отброшенную массу, что бы она не тормозила движение, или иметь постоянную внутреннюю опору, не влияющую на движение объекта. И та и другая задача, прямо скажем, трудновыполнимая. Но возможно решением будет вихревое кольцо.

Кольцевой вихрь, это высокоэнергетичная масса в относительно неподвижной среде, созданная из той же среды. Ее можно быстро создать, оттолкнуться от нее и так же быстро уничтожить. На основе кольцевого вихря решается и задача создания стабильной внутренней опоры, от которой можно отталкиваться постоянно. Для этого необходим новый механизм поддержания энергии вихря. Изнутри. Самый простой генератор вихрей – аппарат Тэта.

 

Для практического использования  кольцевых вихрей предлагаются различные  способы их формирования. Например, с помощью взрыва в трубе. Другой, не менее применимый способ – создание генератора вихрей на основе компрессора  и высокоскоростного затвора. Столб  газа или жидкости заданного объема и с большой скоростью вбрасывается в подобную, но неподвижную среду. По границе площади поперечного  сечения этого цилиндра идет разрыв скорости, и весь объем сворачивается в вихрь.

3.1 Вихрь в трубе.

Ограничение трубой объема среды практически не влияет на время жизни вихря, если стенки трубы удалены более чем на 2 средних диаметра вихря. Меньший размер трубы приводит к увеличению скорости движения вихря в трубе до разрушения вихря. Это происходит по причине образования зоны высокого давления в области взаимодействия вихря и стенки трубы. Скорость потока на внешней части вихря в этой области падает и вихрь уходит от этой зоны с ускорением, смещая внешнюю часть вихря относительно внутренней. Это приводит к изменению внутренней структуры и последующему разрушению вихря. Генератор набирает вихревой объем из зоны формирования вихря, тем самым, образуя условия быстрого формирования вихря, созданием небольшого встречного течения (рис.13).

рисунок 13

 

Основой движителя является взаимодействие вихря со стенкой  трубы. При взаимодействии возникает  сила взаимного отталкивания. Это - реактивная сила. Труба начинает двигаться в одну сторону, а вихрь стремится в другую. При правильном расчете длины трубы вихрь вообще не должен дойти до выхода из нее.

Однако такой движитель малоэффективен. Так как, импульсный характер работы, только ухудшают показатели работы движителя. Но этот движитель может создавать реактивную силу на опору без отброса массы. Трубу можно закрыть со всех сторон, это никак не повлияет на работу движителя. Реактивная сила останется.

3.2 Вихрь в замкнутом объеме.

Чтобы предотвратить быстрое  разрушение кольцевого вихря в узком  канале можно предложить полупрозрачную преграду – сетку. Она также создает  зоны повышенного давления, но проницаемость  стенки быстро выравнивает давление и позволяет увеличить срок жизни  кольцевого вихря.

Рисунок 14

Сетка позволяет создать управляемое торможение вихря. Кроме того, она обеспечивает получение кольцевого потока в объеме камеры. Сетка не так сильно ускоряет вихрь, и не уничтожает его, как это сделала бы плотная стенка трубы. Сетка режет верхнюю кромку вихря, заставляя вихрь медленно отдавать энергию, но сохранять при этом свое вращение.

Все силы в замкнутой системе  движителя направлены в сторону  движения корпуса объекта, начиная  от реакции выброса вихря до его  полного истощения на сетке.

Жидкость несжимаема. Если среда вихреобразования – жидкость, то стенки канала необходимо закрыть  упругим материалом для гашения  звуковой составляющей, например резиной. Она же уменьшит и гидроудар. Только сетка остается жесткой преградой для вихря и является опорой всего движителя. На нее действует сила реакции вихря на опору. Жесткость и прочность этой сетки должна быть соответствующей.

К сожалению, эта схема движителя, хоть и имеет реальную реактивную силу, обеспечивающую движение, не обладает высоким КПД. Она пригодна для создания движения в космосе и воде, но, кажется, не в состоянии обеспечить полет в воздухе. Так как при применении в качестве рабочей среды любой жидкости общий вес аппарата становится достаточно большим.

3.3 Неподвижный кольцевой вихрь.

Рисунок 4

Кольцевые вихри создаются, в основном, генераторами вихрей. После образования вихря мы уже не можем повлиять на него.

Вихрь надо поддерживать изнутри из зоны разряжения, то есть поддерживать скорость вращения, для создания вихря высокой энергии.

Рисунок 15

Примерный простейший механизм раскрутки вихря показан  на рис.15. Кольцевой гибкий вал с вихреобразователями раскручивается двигателем. Целесообразно использовать в качестве вихреобразователя упругие элементы типа щетины. Поэтому вихрь стоит на месте вокруг вихреобразователя и его энергия зависит от свойств среды и мощности двигателя.

Механический способ создания вихря от вращения вала имеет ограничение  в скорости вращения и более пригоден для жидкой среды

3.4 Неподвижный вихрь в вихревой камере.

Такой вариант размещения вихря неоднократно и применялся, и рассматривался. Но, почти всегда, когда он применяется к кольцевому вихрю, камера повторяет конфигурацию вихря. Гладкие стенки охватывают вихрь  со всех сторон. При таком размещении вихря силы трения потока о стенки камеры направлены во все стороны  равномерно и общий момент сил  нулевой.

Р.Вуд проводил опыты по взаимодействию воздушного кольцевого вихря с преградой. Он описал и встречу вихря со стеной, перпендикулярной направлению движения вихря. Вихрь «прилипает» к стене, а потом «растекается» по ней теряя энергию. И объяснил причину этого явления. При встрече вихря со стенкой в центральной части вихря образуется зона повышенного давления. Ее создает центральный поток кольцевого вихря и трение потока вихря о стену. В этой зоне воздух оказывается относительно неподвижен, и давление растет. Единственный путь для его выхода из этой зоны вдоль стены по направлению потока вихря. Туда он и устремляется. И этим тормозит вихревой поток. Возникает сильный отброс этой заторможенной массы на периферии вихря. Это еще сильнее прижимает вихрь к стене. Это «прилипание». И одновременно вихрь, стремясь удержать энергию, вынужден уходить от центральной зоны высокого давления. Куда? Только вдоль стены, увеличивая при этом среднюю линию тороида вращения. Вот он момент «растекания» вихря по стене.

Рисунок 16

А что будет, если стенка вдруг окажется с другой стороны вихря?

 

Там возникнет зона разряжения. И уж к той стенке вихрь точно  «прилипнет». Вихрь стремится уменьшить  зону разряжения и прижимается к  стенке камеры, на рис. 16 она снизу. Этого же требует зона высокого давления с противоположной стороны вихря. Но, вихрь лишь относительно неподвижный. Он находится на оси вихреобразователя. Вихрь стремится приблизиться к стенке. И вихреобразователь уходит со средней линии вихря.

На новом месте вихреобразователь восстанавливает положение вихря, а вихрь опять стремится к стенке.

Возникает постоянное и направленное перемещение нижней стенки камеры к вихрю. В сторону направления центрального потока вихря. И оно ничем не скомпенсировано.

В этом случае энергию вихря можно использовать для отталкивания вихря от передней стенки камеры. Она на рис.17. показана сверху. Для этого достаточно приблизить среднюю линию вихря вместе с вихреобразователем к передней стенке. Зона высокого давления будет стремиться отбросить вихрь от стенки, а вихреобразователь будет возвращать его на прежнее место. И камера начнет двигаться в том же направлении, что и в варианте «прилипания».

Также можно одновременного использовать и прилипание, и отталкивания от противоположных стенок камеры.

 

Рисунок 17

 

Заключение

Интерес к проблеме вихревых колец сильно возрос после появления  атомных бомб, при взрыве которых  образуется характерное грибовидное  облако, структура которого аналогична структуре вихревого кольца. Такое  облако с большой скоростью поднимается  на высоту свыше десятка километров.    

 Аналогичное явление  наблюдается и при взрыве больших  зарядов обычных взрывчатых веществ.  Вихревое облако формируется  в этих случаях за счет выталкивающей  подъемной силы, которая появляется  из-за того, что масса горячего  воздуха, образующаяся при взрыве, легче окружающей среды. Выталкивающая  сила играет существенную роль  и при дальнейшем движении  вихревого облака.   

 Несмотря на большое  число работ, посвященных данной  проблеме, многие важные и интересные  вопросы, к ней относящиеся,  до последнего времени оставались  без ответа. Исследования, проведенные  в последнее десятилетие как в СССР, так и в США, способствовали сильному сдвигу в этой области. На основе многочисленных опытов создана математическая модель, позволяющая определять закон движения, структуру вихревых колец, количество примеси, которое они могут переносить, и другие характеристики.   

 Институтом гидродинамики  Сибирского отделения недавно  предложено новое интересное  практическое использование вихревых  колец, образованных взрывом,  для тушения пожаров на фонтанирующих  нефтяных и газовых скважинах.  Факел гасится пускаемым по  оси фонтана вихревым кольцом,  которое отрывает горящую массу  от устья скважины. Для тушения  горящего нефтяного фонтана, выбрасывающего 6 тысяч тонн в сутки, потребовалось  всего 6 килограммов взрывчатки.

 

 

Список используемой литературы

 

1. Р.Вуд. Вихревые кольца. Библиотечка «КВАНТ» выпуск 4. Опыты в домашней лаборатории.М., Наука,Гл. ред. Физ-мат.лит. 1981г.
2. С.Шабанов, В.Шубин . О вихревых кольцах.Библиотечка «КВАНТ» выпуск 4. Опыты в домашней лаборатории.М.,Наука,Гл.ред.Физ-мат лит , 1981г.
3. А.В.Никитин . Вихрь и вихревые движетели. Екатеринбург, 2007г.
4. Н.Е.Жуковский . Основы теории вихрей.Библиотечка «КВАНТ» выпуск 4..М.,Наука,Гл.ред.Физ-мат лит , 1971г