Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

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.

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