Марк Волынский - Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

• Название: Необыкновенная жизнь обыкновенной капли
• Автор: Марк Волынский
• Издательство: Издательство «Знание»
• Жанр: Физика
• Год: 1986

---

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.

 Глава IV

 ЦЕЛЬ ТВОРЧЕСТВА — САМООТДАЧА

От ракеты к Сезанну

Прочитанные главы, по-видимому, уже дали читателю некоторое представление о романтике будней тех, кого называют теперь технарями. Эта романтика лишена внешних эффектов. Возможно, кому-то покажется стран­ным, что ради маленькой капли можно было тратить столько страстей и усилий в течение многих лет. То ли дело — создать машину, построить здание, нарисовать картину, снять кинофильм. 

Одна из задач этой книги заключалась именно в том, чтобы показать не посвященным в тонкости «ка­пельной темы» читателям, что трудный процесс позна­ния капли и многих связанных с каплей явлений не менее увлекателен, чем другие творческие задачи, что снять кинофильм о капле не проще, чем фильм любого иного жанра, что «повидать мир» можно не только в окно экскурсионного автобуса или на телеэкране, но и в обычном стакане воды. 

Когда я оглядываюсь на годы, посвященные иссле­дованиям капли и связанных с нею явлений, невольно всплывают в памяти слова песни Анчарова:

Тихо падает вода —

кап, кап.

Намокают провода —

кап, кап.

Между пальцами года

Просочились — вот беда!

Между пальцами года — кап, кап!

А вслед за словами вспоминается грустное лицо Аркадия Райкина, исполняющего эту песню в посвя­щенном его творчеству и названном его именем фильме. Его взгляд (а точнее, взгляд того лирического героя, от имени которого исполняется песня) обращен в прош­лое. В нем как бы застыло недоумение по поводу про­сочившихся между пальцами лет. 

Я тоже всматриваюсь в свое прошлое, в ретроспек­тиву минувших лет. Уж кому, как не мне, прошедшие годы должны представляться упавшими каплями! 

Да, этот образ мне безусловно близок. Но считать, что ушедшие годы бесследно просочились у меня между пальцами, не могу. Годы оставили в памяти много глу­боких следов от соприкосновений и с интересными явле­ниями, и с не менее интересными людьми. Когда не удавалось совладать с неожиданным новым явлением в одиночку, приходилось обращаться за помощью к людям. Оглядываясь на прошлое, я прихожу к выводу, что мне посчастливилось всю мою жизнь ехать в «синем троллейбусе» Булата Окуджавы, пассажиры которого всегда готовы прийти на помощь друг другу, не тратя для этого лишних слов. 

Вот почему в этой главе мне хотелось бы уделить главное внимание тем людям, с которыми мне посчастливилось повстречаться на «капельной ниве». Среди них и скромные труженики науки, и такие из­вестные ученые, основатели отечественных научных школ по гидромеханике и ракетно-космической технике, как академики М. В. Келдыш, Л. И. Седов, Б. В. Раушенбах, Г. И. Петров, профессора Г. Н. Абрамович, А. А. Гухман, Е. С. Щетинков. С некоторыми из них мне приходилось вместе работать, с другими я встре­чался эпизодически, но почти любая такая встреча остав­ляла в моей памяти неизгладимый след. 

Было бы слишком смело пытаться нарисовать их ли­тературные портреты — для этого мне не хватило бы ни материала, ни мастерства. То, что я собираюсь расска­зывать в этой главе о людях науки,— это не более чем наброски, этюды или даже, скорее, эскизы отдельных портретных деталей, срисованных не с натуры, а по подсказкам памяти и с занесенных в блокнот бегло, в наметках, карандашом заметок. 

В связи с созданием теории испарения капель и в других местах мной уже упоминалась фамилия Б. В. Раушенбаха. В разносторонней творческой биогра­фии академика Бориса Викторовича Раушенбаха, спе­циалиста по процессам управления, обращение к теории испарения капель — это всего лишь один маленький эпи­зод. Но поведение капли заинтересовало его, конечно, да­леко не случайно, а в связи с теми проблемами гидроме­ханики, которыми он занимался на протяжение многих лет. 

Одна из важнейших задач при разработке различ­ного рода тепловых двигателей заключается в органи­зации процесса горения. Особенно сложной оказалась организация процесса горения в рабочей камере пря­моточного воздушно-реактивного двигателя — ПВРД. В скоростном потоке смеси топлива с воздухом в каме­рах опытных установок факел то разрастался, то уга­сал. Горение иногда сопровождалось дикой вибрацией камеры. Возникавший при этом вой изгонял исследова­телей и механиков, обслуживающих эксперимент, из ис­пытательных блоков. 

Капля (капельная фаза топлива) — один из наибо­лее влиятельных участников процесса горения в камере ПВРД. Здесь действует она в обстановке, радикально отличающейся от условий ее существования не только в двигателях с непосредственным впрыском (дизелях), но и в самом распространенном типе реактивного двига­теля — турбореактивном. Естественно, что в той или иной мере изучением поведения капли в потоке воздуха не мог не интересоваться каждый, кто занимался иссле­дованием горения в ПВРД. Не избежал этого и Борис Викторович Раушенбах. 

Среди его работ, связанных с горением в камере ПВРД, наиболее известна монография о так называе­мом вибрационном горении, том самом, которое было источником воя опытных установок. Заслуга Б. В. Рау­шенбаха заключается в том, что ему удалось заменить происходящие в ПВРД сложные явления сначала физи­ческой моделью, отметающей несущественные мелочи, а затем математической, с помощью которой можно было производить расчеты параметров процесса и кон­струкции.