Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Результаты опытов были хорошо приняты на науч­ной конференции и Опубликованы. Они, в общем, под­твердили ранее предложенную теорию и дали инжене­рам и конструкторам надежный инструмент расчета. Мы получили авторское свидетельство на изобретение, а мой сотоварищ, кроме того,— материал, украсивший одну из глав его диссертации.

 * * *

Переходя от одиночной капли к их рою в факеле, нарисуем общую картину событий, развивающихся на «холодном» участке прямоточной воздушной камеры сгорания. Там обитают жидкие частицы и протекают процессы смесеобразования. Увеличим все в простран­стве и замедлим во времени. Сядем на каплю, подобно доблестному барону Мюнхгаузену, оседлавшему пушеч­ное ядро,— нам не привыкать к мысленным эксперимен­там — и пропутешествуем вдоль камеры, наблюдая за происходящим. Наш полет начнется вместе с плотным облаком капель, которое вырвется под давлением 50— 60 атмосфер из небольшого (один—два миллиметра) сопла форсунки, обгоняя поток окружающего воздуха. Мир капель возникнет внезапно и стремительно, на­поминая в миниатюре Вселенную, разлетающуюся в грандиозном взрыве первовещества (см. рис. 3), заключенного, по образному выражению академика Я. Б. Зель­довича, в «ореховую скорлупу». Примерно так пред­ставляют себе начало мира современные астрофизики.

Двигаясь с каплей, мы увидим, как в хаосе факела распыливания воздушный поток начинает наводить по­рядок, командуя: «Каплям перестроиться по росту». От оси факела форсунки во все стороны начнет расходить­ся «метелка» траекторий — по каждой пойдут частицы своего размера. Под нами летят, постепенно отставая, капли меньших размеров (в начальный момент все час­тицы имели одну общую скорость), над нами, обго­няя,— большие капли. По законам механики более мас­сивные частицы в потоке дальнобойней и медленнее тормозятся. Происходит явление сепарации частиц по диаметрам. (В свое время была сделана попытка ис­пользовать этот эффект как один из методов измерения величины капель.)

Турбулентный хаос силится спутать ровный строй, но его пульсации захватывают лишь самую мелочь, ко­торая носится повсюду. Несущая нас капля начнет на­греваться от тепла окружающего потока и деформиро­ваться, приближаясь по форме к диску-пуговке с оття­нутой кормой. Деформация максимальна на начальном участке, где относительная скорость (геометрическая разность скоростей капли и потока) наибольшая. У нас до дробления дело не дойдет,, возможно, распадутся лишь наиболее крупные капли спектра где-то на пери­ферии факела. Но деформация скажется на нашем дви­жении: возрастет коэффициент сопротивления, и уско­рится торможение капли. Через очень небольшое время ее скорость сравняется со скоростью движения окру­жающего газа, и капля снова стянется в слегка пуль­сирующий шарик. Мы все время будем чувствовать легкие хаотические толчки — воздействие турбулент­ности — и, обернувшись, обнаружим, что вереница ка­пель одинакового размера идет за нами не строго «в за­тылок», а слегка колеблется относительно стационарной траектории.

Соударения капель сравнительно редки, и в нас бу­дут попадать лишь мельчайшие капельки, поглощаемые нашей каплей при соударении. Наша капля все время испаряется — шлейф пара сдувается назад по линиям, тока газа. Струйки пара быстро рассеиваются, смешива­ясь с воздухом и образуя горючую топливовоздушную смесь. Чем капли меньше, тем быстрее они испаряются, пар лучше смешивается с воздухом, смесь будет более однородной по коэффициенту избытка воздуха, то есть лучше подготовлена к горению. Медианная капля в 100 микрометров обычно испаряется на интервале пути в 400—500 микрометров, а на чуть большем пути ис­паряются почти все капли, образующие факел распыли­вания. Остаются недоиспаренными самые крупные кап­ли периферийных траекторий. Мы видим, что короткая жизнь капли действительно насыщена многообразными событиями, взятыми на карандаш исследователями, сумевшими описать всю картину явлений математиче­ским языком.

Математические формулы описали все звенья рабо­чего процесса: спектр распыливания, кинематику капли, закон ее испарения, распределение жидкой и паровой фаз в потоке и т. д. Они легли исходными кирпичиками в общее здание методики расчета смесеобразования в камерах реактивных двигателей и других технических устройств.

Дальше начинается особый мир горения — сложное «солнечное сплетение» аэромеханических и физико-хи­мических процессов. Не вдаваясь в детали, обрисуем лишь одну из более вероятных, на взгляд автора, схе­му микродиффузионного горения (среди ученых суще­ствуют различные точки зрения на механизм процесса).

Вспомним прямоточную цилиндрическую камеру со стабилизатором пламени — о нем речь шла в первой главе. Горение начинается от точки поджигания на кромке стабилизатора и представляется наблюдателю стационарной, слегка колышащейся, наклонной грани­цей, отделяющей поток топливовоздушной смеси от зо­ны пламени. Но внутренняя структура фронта много­сложна и подвижна. В сравнительно узком фронталь­ном слое области горения царит механизм соударений и смешений элементов-молей. Вот столкнулись два таких объемчика — моль холодной топливной смеси и моль горячих продуктов сгорания (здесь местная тем­пература полторы — две тысячи градусов). «Пламенное рандеву»! Результат — воспламенение, рождение эле­мента фронта горения в граничном слое на поверхности встречи. Процесс идет быстро, но ступенчато. Турбулентные пульсации (турбулентная диффузия) сталкивают моли — процесс грубого макросмешения; молекуляр­ные пульсации (известная нам молекулярная диффу­зия) прогревают и смешивают газы вдоль границы соударения — процесс тонкого микросмешения: конеч­ный итог и начало химической реакции. Из таких при­чудливо витых отрезков состоит весь турбулентный фронт - пламени. В нем турбулентная и молекулярная диффузия, перемешивая все и вся, гонят фронт огня внутрь вещества: тепло и материя передаются турбу­лентностью по лесенке все более мелких масштабов. За­вершение эстафеты, как мы видели, осуществляется мо­лекулами там, где идет реакция окисления.

Топливовоздушная смесь не сгорает во фронте пла­мени полностью. Зона догорания, где газы нагреваются До высоких температур и увеличивают скорость, про­стирается далеко за пределами фронта. Отдельные, не- доиспарившиеся капли из «хвоста» спектра распылива­ния пронизывают фронт пламени и воспламеняются. Эти микрокометы живут недолго: каплю интенсивно об­дувает ускоряющийся поток, деформирует и дробит ее на мельчайшие частицы. Скорость сгорания во фронте тем больше, чем больше скорости турбулентных пульсаций, обычно составляющих один—три процента скорости по­тока. Эффективность процесса горения и его завершен­ность оценивают в технике коэффициентом полноты сгорания φ — отношением масс сгоревшего и поданного в камеру топлива. Его определяют методом газового анализа продуктов сгорания, отобранных специальными охлаждаемыми насадками. Чем ближе величина φ к единице (в хороших камерах обычно недобирается два— три процента сгоревшего топлива), тем совершеннее ка­мера; φ зависит от коэффициента избытка воздуха а, качества смесеобразования и ряда других факторов.

Работа над испарением заставила меня взглянуть на каплю с новой точки зрения. Раньше она представля­лась мне просто сложным объектом гидромеханики. Теперь я в ней увидел иную, более общую модель. Мо­лекулы газа распространяются беспорядочно и неогра­ниченно в пространстве, маленькая капля — один из первых шажков от мира классического хаоса к порядку и гармонии. Многоугольники молекулярных траекторий здесь загнаны внутрь правильной сферы — при испарении вылетают самые шустрые. Капля, малая частица мира, символизирует его двуединство: статистический хаос случайного и гармонию закономерностей. Потому- то я высказал в начале книги предположение, что имен­но в этой частице, ячейке мира зародилась, по-видимому, жизнь на Земле (вспомните коацерватные капли акаде­мика А. И. Опарина). Со временем, возможно, феномен капли будет изучаться новой наукой о самоорганизации устойчивой системы из беспорядка — синергетикой.