Текст книги "Необыкновенная жизнь обыкновенной капли"

Автор книги: Марк Волынский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 9 страниц)

Оставался второй путь. Одиночная неподвижная капля должна была послужить простейшей моделью, на которой можно было подсмотреть действие закона испарения и описать его математически. Это открывало путь к возможному обобщению. Некоторые экспериментаторы вообще начинали с «железных капель». На поверхность металлического шара через мелкие поры подавался тонкий слой жидкости – поддерживалась неизменная толщина испаряющейся пленки, что соответствовало стационарным условиям опыта. По расходу жидкости судили о скорости испарения.

Более близкими к реальному процессу выглядели эксперименты с каплями диаметром два—три миллиметра, подвешенными на проволочку термопары – прибора, измеряющего температуру жидкости. Каплю заключали в ящик – термостат с определенной температурой. Он имел окна, иногда кварцевые. В случаях высоконагретой среды или опытов с горением капли киноаппарат фиксировал ее меняющиеся размеры. Шаровая симметрия явления, казалось бы, позволяла составить уравнение процесса, математически решить задачу и сопоставить результат с данными опыта. Но не тут-то было – природа вмешалась в идеальные схемы. Капля окутывалась направленным вертикальным языком паров или продуктов сгорания. Они всплывали в окружающей среде, поскольку отличались от нее по удельному весу – явление естественной конвекции, обусловленное подъемной силой Архимеда. Модель шаровой симметрии ломалась, получался некий искусственный обдув, то, что называется «нечистый опыт».

Оригинальный выход нашли хитроумные японцы, предложив метод «падающего ящика». Камера-лифт с подвешенной каплей падала по направляющим вместе с включенным киноаппаратом. В камере, согласно законам механики, возникало состояние невесомости для всех тел, в том числе и для газов, окружающих каплю. Восстанавливалась шаровая симметрия и чистота опыта. Фотографии в падающем лифте показали строго сферический фронт пламени вокруг горящей капли вместо привычного огненного языка. В наше время такой опыт мог бы с успехом проводиться на спутнике.

Уместно вспомнить, что одним из первых «взвесил» каплю известный бельгийский физик и анатом Жозеф Плато. Его опыт стал классическим и часто демонстрируется на лекциях. В прозрачный сосуд с водным раствором спирта вводят каплю не смешивающегося с ним масла. Концентрацию раствора подбирают так, чтобы уравнять плотности обеих жидкостей. Тогда сила тяжести капли будет уравновешена архимедовой силой, и капля станет невесомой. Другими словами, в игре трех воздействующих на каплю сил: веса, гидростатического давления и поверхностного натяжения – две первые взаимно уничтожаются. Капля независимо от диаметра неподвижно повисает в жидкости и приобретает строго шарообразную форму. Это обеспечивает сила поверхностного натяжения, всегда стремящаяся придать капле минимальную поверхность при заданном объеме. Кстати, сейчас возникла целая область гидродинамики невесомости, важная для спутников и космических аппаратов, на борту которых всегда имеются жидкости различного рода и назначения.

Рассмотрим процесс испарения, отталкиваясь от модели с шаровой симметрией. Представим себе крупным планом каплю, взвешенную в неподвижном воздухе, температура которого намного превышает температуру капли. В первый момент холодная капля начинает интенсивно прогреваться от окружающего воздуха. Пока не установился стационарный тепловой режим, поступающая энергия расходуется в основном на прогрев и в меньшей степени – на испарение. Быстро, за малые доли общего времени жизни капли, ее температура почти достигает определенного предела, называемого температурой равновесного испарения. Вообще температура испаряющейся капли жидкости никогда не может сравниться с температурой окружающей среды: капля нагреется, но не достигнет температуры среды, поскольку с ростом температуры увеличивающийся отток пара будет тормозить подвод тепла к капле.

Динамика начального прогрева капли всегда доставляла много хлопот теоретикам: что происходит у нее внутри? Можно предполагать, что порция тепла не успевает проникнуть в глубь капли и происходит испарение внешнего слоя, Вслед за первым слоем испаряется следующий, капля сбрасывает с себя оболочки жидкости, как луковица – «одежки». Или, напротив, тепло распространяется почти мгновенно, равномерно прогревая каплю до самого центра, и потом лишь начинается заметное испарение. Наблюдения над крупными каплями с добавкой окрашенных частиц показали: внутри крутятся интенсивные вихревые токи. Если так, ближе к истине вторая схема: вихрь – отличная мешалка, выравнивающая температуры по всему объему капли. Но в мелкой капле, в которую заглянуть труднее, слишком тесно для обитания вихрей; возникнув и рассеяв свою энергию на трение, они должны быстро погаснуть.

Борис Викторович Раушенбах, умевший, когда требовалось, привлекать самый сложный математический аппарат, здесь поступил по-инженерному просто: взял каплю «в вилку», вычислив испаряемость в двух крайних пределах: в предположении послойного испарения, то есть бесконечно медленного прогрева (нулевой коэффициент теплопроводности), и мгновенного, равномерного прогрева (коэффициент теплопроводности – бесконечность). Получились предельные оценки процесса при крайних режимах испарения: когда эти пределы не слишком расходились, можно было для реального процесса брать средние значения. Как начало такой приближенный подход давал полезную ориентировку.

Но вот капля достигла температуры равновесного испарения, теперь все внешнее тепло тратится на парообразование, то есть на преодоление внутренних молекулярных сил сцепления. Тепловой эквивалент этой работы на единицу массы жидкости называется, как известно, теплотой парообразования – вырвать молекулы из капли не так просто. Этот энергетический вклад в молекулы возвращается ими при обратном переходе пара в жидкость, например при конденсировании влаги в росу.

Рассмотрим картину процесса (рис. 20). На поверхности капли, как на всякой границе раздела жидкой и газообразной фаз, сохраняется тонкий слой насыщенного пара, он находится в термодинамическом равновесии с жидкостью – у них одинаковые температуры. Молекулы в хаотическом тепловом движении непрерывно снуют через границу в обе стороны. Те, что вылетают из капли,– пар, те, которые возвращаются в жидкость,– конденсат. Когда вылетающих молекул больше, происходит испарение.

Рис. 20. Схема процесса испарения капли: а – неподвижная капля (С, t – концентрация и температура в слое пара вокруг капли), б – капля в потоке (1 – реальный слой пара, 2 – слой пара в теоретической модели)

 Давление насыщенного пара, называемое упругостью пара, не зависит от окружающего давления, а определяется только свойствами жидкости и ее температурой. Капля становится центром двух встречных потоков – энергии и вещества. Извне к ней идет поток питающего тепла, а от нее – отток пара. Молекулярная диффузия – процесс перемешивания и проникновения молекул – переносит тепло от среды с более высокой температурой к холодной поверхности капли. Одновременно и вещество переносится от насыщенной паровой прослойки вовне.

Законы диффузии вещества и тепла известны, и описанную картину нетрудно перевести на язык математики – уравнения тепломассообмена. Если принять модель шаровой симметрии, эти уравнения содержат лишь одну пространственную координату – радиус точки-сферы. Это упрощает дело. Решение таких уравнений дает полное описание явления: кривые распределения температур и концентрация пара вокруг капли и скорость испарения – расход пара в секунду с единицы жидкой поверхности. Зная скорость испарения, можно найти время жизни капли.

По аналогии с моделью испарения были построены модель и теория диффузионного горения неподвижной капли, позволившие вычислить время ее сгорания. Сферическое пламя – тонкий нимб вокруг капли, наблюдавшийся в опытах «с падающим ящиком», устанавливается на поверхности, где паровоздушная смесь имеет коэффициент избытка воздуха α=1 (это означало, что химическая реакция избирает себе оптимальные условия). Стационарная поверхность фронта пламени – это граница подвода и отвода тепла и вещества. Устанавливаются «встречные перевозки»: от фронта к капле – мощный поток тепла, от капли – мощный поток пара, питающий пламя горючим. Извне к фронту пламени идет поток кислорода-окислителя, а от него вовне продукты сгорания; тепло и вещество переносятся молекулярной диффузией.

Задача испарения неподвижной капли была решена. Но в камерах сгорания капли движутся. Предстояло подняться на следующую ступень: решить задачу испарения летящей или (что равнозначно) обдуваемой воздухом капли. Обдув резко повышает скорость испарения: влажные руки на ветру высыхают быстрее. Природа идет навстречу инженеру, обеспечивая почти полное испарение за короткое время пролета капель через камеру, если капля достаточно мелкая. Но для исследователя природа не делает поблажек. Маленькая капля– тугой узелок взаимосвязанных процессов. Механика ее движения зависит от аэродинамики обтекания (сил сопротивления), скорость испарения – от скорости полета. Широкое облако пара, окружающее неподвижную каплю, теперь спрессовано напором потока в тонкий пограничный слой летящей капли толщиной в десятые доли ее радиуса. На крошечном интервале в сотые доли миллиметра (рис. 20, б) температура газа резко возрастает: например, на капле бензина от температуры жидкости t_ж=70°—75°С (уже близко к температуре кипения) до температуры газа 1500 °С. В обдувающем потоке столь же резко падает концентрация пара – от насыщенных паров на жидкой поверхности почти до пуля за пределами пограничного слоя. Законы переноса тепла и вещества в среде приблизительно подобны: чем выше градиент температур (перепад на единице длины), тем больше поток тепла от газа к капле, чем выше градиент концентраций пара, тем больше поток испаряющегося вещества от капли.

Это и объясняет столь высокую скорость испарения при обдуве. В тонкой пленке своеобразного пограничного слоя капли работает интенсивный механизм тепломассообмена «тяни—толкай». Высокий теплопровод, возбуждая молекулы жидкости, выгоняет их из капли, а быстрый массоотвод выметает пар с жидкой поверхности, освобождая место вновь поступающим молекулам.

Но на самой поверхности жидкости, как и у неподвижной капли, сохраняется хотя и мизерная, но стационарная прослойка насыщенных паров. Это значит, что самый стремительный поток газа обходит заповедную зону термодинамического равновесия, не возмущая ее структуры. В нашем примере капля бензина находилась вблизи точки своего кипения – около 80 °С. Казалось бы, за чем дело стало: прибавить немного исходной температуры газа, и капля закипит, резко ускорится парообразование. Но путь этот заказан: законы молекулярного тепломассообмена в потоке накладывают запрет. Пусть температура газа возрастает хоть до 3000 К и выше, как в камере ЖРД, жар норовит лизнуть саму жидкую поверхность, но капля, как маленький богатырь, чуть оттесняет тончайшей прослойкой прилегающих газов адское пламя. Ее температура вплотную (асимптотически) приблизится к точке кипения, но останется все-таки ниже. (В отличие от чайника, где кипение начинается у дна и в пристеночном слое, на границе соприкосновения жидкости и твердого тела.)

И все же можно исхитриться вскипятить летящую каплю, используя свойство падения температуры кипения с уменьшением давления. Например, в раструбе сопла, где давление падает, капля, влетевшая из зоны высоких давлений в зону низких, мгновенно окажется перегретой, ее температура будет выше температуры кипения, и она закипит уже в неравновесных условиях.

Такова принятая в прикладной науке общая модель явления. Но ведь мы пока потихоньку втащили каплю в прокрустово ложе шаровой симметрии, столь любезной сердцу теоретика и расчетчика. Мы усреднили переменный по структуре и ширине слой и «обрубили хвост» сносимых потоком паров. В реальности парообразование на поверхности капли неравномерно, линии тока набегающего газа в ее лобовой и кормовой зоне идут по-разному, за кормой у более крупных капель может отрываться цепочка вихрей.

Сознавая несовершенство упрощенной модели с условным пограничным слоем и шаровой симметрией, мы тем не менее вынуждены к ней снова возвратиться: лучшего пока нет, а модель все-таки ухватывает основные черты явления. Задача летящей испаряющейся капли– один из тех узелков природы, которые наука, особенно прикладная, не умея пока развязать, вынуждена разрубать с помощью приближенных гипотез и уравнений. Такой подход привел в конце концов к созданию стройной теории и методики приближенного расчета испарения капель, летящих в потоке газа. Немалый вклад в теорию внесен, нашими советскими учеными В. М. Иевлевым, Д. А. Франк-Каменецким и другими.

Не вдаваясь в подробности, приведем основное уравнение теории:

da²/dτ = F₁F₂

В левой части производная квадрата диаметра капли , а по времени τ. Это скорость убывания площади жидкой поверхности по мере испарения (производная отрицательна). В правой части уравнения произведение двух функций, включающих многие физические и геометрические параметры: чем значения функций больше, тем быстрее протекает испарение. Функция F₁ отражает влияние факторов, не зависящих от движения; это функция статического испарения, такая же, как и в случае неподвижной капли. Она зависит от температур газа и жидкости, от теплоты испарения, от удельных весов жидкости и пара, от коэффициента диффузии паров и других факторов.

Функция F₂ учитывает рост скорости испарения за счет движения капли. Для случая неподвижной капли (F₂= 1) уравнение легко интегрируется и получается закон статического испарения, выражающий убывание площади поверхности капли во времени:

(а/а₁)²=1—(F₁/а₁²)τ_к ,

где а – текущий (переменный) диаметр капли; a₁– начальный диаметр; F₁ – среднее значение функции.

Время жизни капли или время ее полного испарения (при а =0) выразится простой формулой:

τ_k  = а₁²/F₁ 

означающей, что время испарения пропорционально квадрату диаметра капли. Эта формула широко используется для расчета времени испарения капель, увлеченных газовым потоком.

Фотографический автопортрет

Созданная усилиями ряда исследователей теория была, как мы помним, приближенной и нуждалась в серьезном обосновании. Имея впереди долговременную цель – разработку методики расчета процессов смесеобразования в камере двигателя,– я стал искать эксперимент, который мог бы подтвердить достоверность полученных формул испарения капли.

Мои опыты по улавливанию и измерению спектров жидких частиц некоторые коллеги называли ловлей блох; теперь же предстояло «поймать» величину, гораздо меньшую самой капли. Если капля диаметром 0,2 миллиметра потеряла за счет испарения во время полета половину своей массы, то уменьшение диаметра оказывается, как легко вычислить, совсем небольшим; на 0,06 миллиметра.

Осознав трудность задачи, я стал искать напарника по работе из толковых сотрудников приборного подразделения. Не каждого капля могла увлечь, как меня, я решил попытаться прельстить кого-нибудь из соискателей ученой степени безусловной диссертабельностью темы.

В нашей прессе система представления и защиты диссертаций, говоря словами Маяковского, была «в штыки неоднократно атакована». Она имеет, конечно, свои недостатки, но в нашем институте диссертации приносили, как правило, пользу и делу, и научному работнику. Перед ученым советом, где заседали маститые ученые, известные академики, профессора и особенно «зубастая» молодежь, со скороспелыми, халтурными работами вылезать никто не решался. Диссертации тогда редко писались специально для защиты, обычно они оказывались естественно созревшим (иногда и перезревшим) плодом длительных исследований, результаты которых помещались в монографиях и журналах, практически использовались в промышленности. Что касается меня самого (пример не для подражания), то свои диссертации я защитил с большим опозданием, после многих публикаций, когда уже иные коллеги недоумевали или посмеивались, а начальство ругало – защита диссертации стояла в планах отделов и учитывалась при оценке их работы. (Еще не родился саркастический перефраз: «Ученым можешь ты не быть, но кандидатом быть обязан».) Причиной моего опоздания была затянувшаяся попытка решить или хотя бы продвинуть теоретически проблему спектра капель. Однако трудности явно превышали возможности автора, впрочем, как и других исследователей, ломавших голову над этой задачей.

Мы обсудили схему опыта с моим напарником и решили, что естественней всего применить скоростную фотографию. Прибор для формирования однородных капель надежно работал, а искровая осветительная установка с экспозицией около 10^-6 секунды должна была помочь нам «остановить» летящую каплю. Поскольку фотографировать одну и ту же частицу в разных точках пути было чрезвычайно сложно, мы собирались снимать капли из однородной серии в начальном неиспаренном состоянии и после испарения, в сечении на выходе установки. Эксперимент представлялся новым и многообещающим. Но на первых же шагах возникла трудность, буквально загнавшая нас в тупик.

Съемка с увеличением (правда, с не очень большим) нуждалась в тщательной фокусировке аппаратуры в точке ожидаемого появления капли, и требовалось точное знание ее координат. Вспоминаю один из серии наших безрадостных разговоров.

– Ты, кажется, втравил меня в безнадежное дело,– сказал мой обычно спокойный до флегматичности напарник, который теперь все более проникался тревогой и раздражением.– Ведь при микросъемке очень мала глубина резкости – помнишь фотографирование факела распыливания? Малейшее отклонение капли от плоскости фокусировки – и фотография получится размытой, не пригодной для обмеров.

– Да, кажется, капля не собирается нам позировать. Понимаешь, я надеялся за счет высокого качества аэродинамики нашей установки уменьшить турбулентность потока... Не получилось: случайные пульсации «таскают» капли в слишком широкой зоне разброса. В струйке каплеобразователя капель маловато, вероятность попадания в фокус ничтожна.

Перед нами лежал улавливающий экран с удручающе широкой зоной рассеивания капельных следов.

– Может, сделать батарею многих капельниц? Вероятность возрастает.

– Нет, не удастся настроить все на строго одинаковый размер капли.

– А если сделать сечение струи воздуха поменьше, ну миллиметров пять—десять? Пределы колебаний частиц сузятся.

– Не выйдет: для заметного испарения капли нужен путь не менее полуметра – твоя струйка размоется, возмущения лишь возрастут.

Наступила пауза, каждый размышлял про себя. После раздумья мы почти одновременно пришли к одному выводу: капля должна сама себя фотографировать, включать вспышку электроискры в нужный момент. Иного пути нет. Но как это сделать?

– Если взять небольшой осветитель,– начал я с неясной надеждой,– пустить из вертикальной щели световую плоскость через поток с каплями и прямо на фотоэлемент...

– На эту световую плоскость навести фотоаппарат, совместить с ней плоскость фокусировки,—Людхватил мой коллега.– Такой свет – ничто сравнительно с искровой вспышкой, он нам не помешает...

– Так-так... капля ведь где-то пересечет световой барьер... если бы... фотоэлемент почувствовал и сработал...

Надежда постепенно увядала.

– То-то и оно... твоими устами да мед пить. Тут не турникет метро, где загораживается весь луч фотоэлемента. Здесь перекрытие мизерное, фотоэлемент «и ухом не поведет».

Открывшаяся было дверка вела в никуда. Мы снова и надолго загрустили. Бесплодные поиски утомляли, и я отключился, тупо глядя на стеклянную мензурку. Косой осенний луч ложился на рабочий стол, преломляясь в стеклянной мензурке с цветами, поставленными лаборанткой. Бледный зайчик падал на пол далеко в затененный угол комнаты. Мне казалось, что мы бродим где-то рядом с истиной, не хватало одного последнего шага. Почти бессознательно пробормотал я блоковскую стихотворную строчку: «В косых лучах вечерней пыли я знаю, ты придешь опять...» И вдруг в самом деле пришла «Она» – идея. Словно лучик высветил недостающий фрагмент решения – косой луч! Идея!

Мой коллега, не склонный к лирике, зато привычный к моему бормотанию стихов и возгласам «Идея!», реагировал лишь вялой гримасой.

– Гляди...– я в несколько штрихов набросал законченную схему всего узла фотоустановки. Забавно было наблюдать, как на скептичной физиономии моего коллеги вдруг ожили и задвигались от улыбки полушария щек.

– Видишь?.. Ось вспомогательного осветителя наклоним градусов на 45 и пересечем воздушный поток с каплями не поперечной, а косой световой плоскостью – к черту стереотип перпендикуляров и параллелей, он и сковывал нас. С косой плоскостью совместим плоскость фокусировки фотоаппарата... Свет теперь пойдет мимо фотоэлемента... И бог с ним. Опыт, конечно, ведем в затемненном помещении, при открытом фотообъективе, который пока ничего не снимает. Капля, проходя световой барьер, бросит преломленный (или отраженный) луч куда-то вкось – там и подставим объектив фотоэлемента ... угол найдем эмпирически. Лучик будет слабый – ничтожной яркости, но фотоэлемент, глядящий в абсолютную темноту, ощутит контраст. Дальнейшее понятно: фототок включит искровой осветитель, и, когда капля попадет в плоскость наведения, она снимет сама себя в наилучшем виде.

– Да, вроде мы ее поймали,– с облегчением сказал мой коллега,– надо только учесть время запаздывания: пока сработает импульс в установке и загорится искра, капля уйдет из плоскости наводки. Учтем это, чуть сдвинув фотоплоскость назад от светового барьера.

Так сказать, подберем интервал. Скорость движения капли известна.

– Ясно: «стреляем» искровой вспышкой с упреждением, как по летящей утке.

Хорошо и споро работается при свете четкой и обнадеживающей идеи. Снабженцы дрогнули под нашим соединенным натиском и раздобыли в конце концов дефицитную мелкозернистую фотопленку. В то время уровень всякого рода официальных бумаг, который грозит покрыть с головой теперешнего работника НИИ, был значительно ниже, хотя, конечно, меньше был и масштаб работ. Эскизы деталей экспериментальной установки шли прямо с наших столов к токарю и фрезеровщику с минимумом начальственных виз. Кое-что нашли прямо на бездонной институтской свалке, богатой находками, как Клондайк.

Для проверки принципа собрали в темном закутке времянку, модель основного узла: капельница, фотоэлемент, небольшой осветитель и осциллограф. Все действовало безотказно. Вскоре была смонтирована и экспериментальная установка. Небольшой компрессор гнал поток воздуха через подогреватель, поднимавший его температуру до 600—800 °С, и через длинную цилиндрическую камеру. В ее начальном сечении стояла капельница – пришлось разработать особый вариант с теплозащитой. Вереница одинаковых капель сдувалась с тонкой иглы капилляра специально дозированной струйкой воздуха вдоль оси потока, размер капель был заранее известен. Во втором сечении, на выходе из трубы, фотографировалась уже «похудевшая», частично испарившаяся капля: она летела, почти полностью увлеченная потоком, сохраняя правильную сферическую форму.

Расстояние между сечениями можно было менять. Эксперимент оказался сложным и тонким. Мы начинали опыт с пристрелки каплей в зону фотографирования еще в холодном газе. Это требовало снайперской точности. Медленно перемещая капельницу и ось фотоэлемента, мы ловили в объектив преломленные каплей лучики света, добиваясь появления импульсов фототока на катодном осциллографе, подключенном к фотоэлементу. Сердце радовалось, когда капли сигналили бегущими световыми зубцами на опаловом круге экрана: «Мы здесь, пролетаем в допустимом интервале разброса». Тогда открывался объектив фотоаппарата, и на снимке фиксировался начальный размер капли, поскольку до начала подогрева испарение практически отсутствовало. Потом включали подогреватель и устанавливали режим течения по температуре и скорости. Теперь начиналась трехкратная серия фотографий испаряющейся капли. Резким бичом щелкал электроразряд осветителя, отзываясь в сознании непроизвольно родившимся рефреном: «Три капли, три капли, три капли!»

Но если тайну трех карт бедному Германну суждено было узнать лишь после смерти графини, то тайна трех капель оказалась сразу в наших руках: снимки получились отличные. Капли фотографировали себя сами!

В конце опыта мы провели контрольную съемку снова в холодном потоке, чтобы убедиться: капельница не сбилась и выдает те же капли. Нас охватил азарт, мы часами и днями не отходили от стенда, забегая лишь в фотолабораторию. Иногда вся серия фотографий летела в корзину: обнаруживалось, что из-за каких-то помех сбивалась капельница. Часто, особенно в дождливые дни, установка срабатывала от посторонних капель влаги, которые содержались в воздухе и непрошенно совались в кадр.

Наконец изнурительные эксперименты завершились. Сопоставляя диаметры холодной и испаренной капли с учетом возможных ошибок опыта, мы нашли вожделенные закономерности испарения капель различных размеров при разных скоростях полета.

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.