Влияние формы и материала труб на образование и развитие завихряющегося движения
Наложение потоков друг на друга, которое можно заметить на протяжении слабо или сильно закрученной спирали, вызывает их интенсивное сопротивление друг другу, так как по краям обоих течений образовываются воронки; кроме того, они различаются по скорости и направлению течения. Из этого процесса можно сделать логический вывод: увеличение водовыпуска в трубе может быть ускорено в том случае, если правильно ограничивать процесс взаимного влияния потоков друг на друга из-за образования воронки.
Так как благодаря ритмично изгибающейся форме в геликоидальных трубах автоматически возникает сильный спирально закрученный поток, они имеют большую пропускную способность, чем прямые трубки с той же площадью сечения при таких же остальных условиях.
Если процессы движения, возникающие по всей длине благодаря спиральным изгибам геликоидальной трубки, также синхронны с импульсами, которые возникают благодаря скорости сквозного течения, то, в случае с сильно изогнутой спиралевидной трубкой, вода начинает двигаться по геликоидальной конструкции, свободно колеблясь и осциллируя, то есть не касаясь стен трубы и не образуя затрудняющие течение отдельные воронки. В этом случае в результате действия многомерного закручивающегося движения стены трубы почти не будут омываться водой. Можно сделать следующее гипотетическое умозаключение: при особых условиях в геликоидальных трубах вполне реально свести на нет потери скорости, обусловленные трением, которые получаются в прямых трубах.
То же самое можно проделать с геликоидальными трубами, в которых внутри прямой трубы встроена форма слабо закрученной спирали, то есть завихренное движение воды обуславливается особой внутренней конфигурацией стен грубы. Такие винтообразные вставки, внедренные внутрь стенок прямых или изгибающихся геликоидальных труб, благодаря характеру течения нетолько будут способствовать формированию закручивающихся процессов, но и стабилизируют их полезную конфигурацию — как, например, в случае с нарезным стволом ружья.
Гипотезы и умозаключения, описанные выше в ответе на вопрос 1, были проверены на достоверность. Были произведены измерения воздействия сил трения и скорости водовыпуска в семи различных, прямых и спиралевидных, трубах с различным поперечным сечением и из различных материалов.
Из сосуда с постоянно поддерживающимся уровнем воды экспериментальной установки № 1 вода проводилась в трубки для того, чтобы исследовать ее при помощи резинового шланга 19 мм в диаметре. Такого же диаметра резиновый шланг служил для того, чтобы подводить воду к контрольному створу. Конструкция состояла из трубы водовыпуска, которая конически расширялась во внутреннем диаметре с 20 мм до 40 мм и имела два штуцера для подсоединения к аппаратам, измеряющим понижение давления (чертежи 3 и 4). Труба водовыпуска подсоединена к трубе, направляющей воду в водосбор. Для измерения времени, за которое вытекающая через трубу вода полностью заполняла 15-литровый измерительный сосуд, был использован секундомер, и исходя из полученного результата подсчитывалась скорость течения. Гидростатический напор определяли при помощи трех измерительных труб, которые напрямую примыкали к контрольному створу. Таким образом, постоянно контролировалась разность в высоте h между уровнем воды в сосуде и на водовыпуске. Кроме того, измерялась разница давлений, возникающая во время протекания воды по трубе водовыпуска.
Устанавливаемые таким образом расходы воды q зависят от величины силы трения, и на чертеже 5 представлены графики этой зависимости. Для построения графиков использовалась двойная логарифмическая система координат. Принимая во внимание различные поперечные сечения f различных тестируемых труб, в данном случае скорость течения v не была графически отражена в двойной логарифмической форме. На графике был отражен измеренный расход воды, который получили, измеряя различия уровней воды в высоте h. Линии, соединяющие взаимосвязанные величины, которые можно вкратце называть q — h-линии, должны быть прямыми, если основываться на формуле Вайсбаха, согласно которой Согласно этому базисному уравнению измеренные величины труб с одинаковыми поперечными сечениями и с одинаковой шероховатостью стен трубы должны, таким образом, находиться на прямой линии. В случае различных сечений значения величин, естественно, смещаются на величину, пропорциональную.
Как показано на чертеже 5, q — h-линии различных испытываемых труб фактически очень сильно отклоняются от прямой и показывают характерный курс колебаний, как, например, в случае со спиралевидной геликоидальной медной трубой (тестируемая труба № 2), относительно которой не исключена возможность, что определяемые параметры не были установлены с достаточной точностью.
Гладкие прямые медные трубы с неизменным (тестируемая труба № 3) и коническим (тестируемая труба № 5) сечением — из всех лучше всего соответствуют постулату гидравлики h — с х q2. В случаях с другими испытательными трубами, кроме колеблющегося направления кривых, направление соединяющих линий характеризуется отношением, в котором экспонент q меньше 2. Для испытательной установки (тестируемая труба № 1) непосредственно, также как и в тестируемой трубе № 2 (спиралевидной геликоидальной трубе), тестируемой трубе № 4 (прямая стеклянная труба) и тестируемой трубе № 7 (прямой конической геликоидальной трубе с большим поперечным сечением), экспонент уменьшился бы до 1,67. В случае с тестируемой трубой № 6 (коническая спиралевидная геликоидальная труба) он фактически уменьшается до 1,57, и с тестируемой трубой № 8 (прямой конической геликоидальной трубой — меньшее поперечное сечение) он достигает самого низкого значения — 1,51. Это позволяет сделать заключение, что извивание и скручивание труб могут оказывать как благоприятное, так и неблагоприятное влияние на процессы течения благодаря изменению скорости основного потока.
Если, например, рассматриваются тестируемые трубы № 6 и 5, которые имеют одинаковую длину и коническую форму поперечного сечения, то значение измеренных величин и положение соединяющих линий в этих случаях будут свидетельствовать о том, что изгибы и скручивание в тестируемой трубе № 6 при измерении оказывают неблагоприятный эффект на ее полезность. Прямая коническая медная труба с гладкими стенками (№ 5) при том же самом различии в высоте водных уровней поставляет воды больше, чем геликоидальная труба. Различие в водовыпуске, кстати, постоянно уменьшается по мере увеличения различий в высоте и при значении h = 28 см полностью сводится на нет. При больших различиях в высоте геликоидальная труба (№ 6) поставляет больший объем воды, чем прямая медная труба (№ 5). То же должно быть применимо к тестируемой трубе № 7, qJ = 0,17 л/сек, что, согласно предположению, превышает q прямой, гладкой медной трубы (№ 5) в точке, где h = 30 см. Сейчас это может быть подтверждено доскональным анализом измеренных данных труб № 2, 3,4. Упрямой стеклянной трубы (№ 4) при равном различии в высоте h всегда при любых условиях значение меньшее q, чем у прямой медной трубы (№ 3) и спиралевидной геликоидальной медной трубы, но вплоть до различия в высоте 10,5 см труба № 3 поставляет воды больше, чем спиралевидная геликоидальная труба (№ 2). Отсюда можно сделать вывод, что работа спиралевидных геликоидальных труб всегда эффективнее.
Выводы, сделанные из направления соединяющих линий измеренных параметров труб № 5,6 и 7 и касающиеся благоприятного влияния закручивания этих труб на поток, что находится вне области измерения, также справедливы для тестируемых труб № 2,3 и 4 по установленным измеренным параметрам. Изменения от неблагоприятных до благоприятных влияний на поток, вызванные закручиванием труб, — как ожидается, принадлежат области измерения данных труб № 5,6 и 7 по сравнению с прямыми, гладкими трубами, уже имеют место в случае с тестируемыми трубами № 2, 3 и 4 и находятся в пределах области измерения. Поэтому следует подвергнуть эти испытательные трубы полному анализу.
Из данных таблицы 1 становится ясно, что градиенты давления, значения h и величина водовыпуска не имеют никакой единой тенденции. Чтобы определить, являются ли наблюдаемые отклонения результатом погрешностей в измерении, значения, основанные на величине водовыпуска, были отображены в виде графиков (чертеж 6) в двойной логарифмической системе координат. Следует принимать во внимание, что линии соединения измеренных значений прямой медной трубы (№ 3) и прямой стеклянной трубы (№ 4) имеют ту же тенденцию, что и данные спиралевидной геликоидальной трубы (№ 2), а также у испытательной установки (№ 1), а с другой стороны, отображают характерные колебания.
Чертеж 5
Чертеж 6
Результаты этих измерений, таким образом, доказывают, что собственно испытательная установка из-за ее полукруглой, свисающей вниз конфигурации вызывает эффект, подобный эффекту закручивающейся трубы, который, однако, полностью или до самой большой степени аннулируется использованием поперечного сечения прямой трубы. В случае включения спиралевидной геликоидальной трубы (№ 2) не предполагается, что эффект нисходящей тестируемой трубы (№ 1) нейтрализуется, но, возможно, в дальнейшем даже увеличится. Следовательно, чтобы поддерживать необходимую нейтрализацию трения в испытательных трубах для водовыпуска q, необходимо далее уменьшать различия в высоте уровня воды около градиентов давления при выходе потока. На чертеже 7 водовыпуск q, зависящий от значений (h —?h), отображен на графике в двойной логарифмической системе координат.
Таблица 1. Водовыпуск прямых и геликоидальных труб
Таблица 2. Водовыпуск и потери, связанные с силой трения прямых и спиралевидных труб из меди и стекла
Соединительные линии взаимосвязанных измеренных величин водозабора и водовыпуска экспериментальной установки № 1, так же как соединительные линии прямых стеклянных и медных труб, имеют точно такие же направления и происходят по величине значения спиралевидных геликоидальных труб, тоже отображают характерные колебания последних. Результаты измерений, полученные таким образом, затем использовались для определения потерь, вязанных с силой трения в тестируемых трубах длиной 45 м, как обозначено на чертеже 7, каждая из ординат между q — h-линиями экспериментальной установки и тестируемых труб установлена и отображена в таблице 2.
Чертеж 7
На чертеже 8 водовыпуск трубы графически отображен в декартовой системе координат, основанной на значениях илы трения и соответствующих измеренных значениях водовыпуска, соотносимых вертикально и горизонтально. Хорошо заметно, что все линии соединения отображают характерный колеблющийся курс, который наиболее ясно прослеживается в случае со спиралевидной геликоидальной трубой (№ 2).
Бесспорно, исходя из конфигурации трех кривых на графике можно сделать вывод, что при равных значениях силы рения спиралевидная геликоидальная медная труба имеет большую продуктивность, чем прямая медная труба с той же ушной и таким же поперечным сечением. Эти результаты, применимые относительно турбулентного потока, в настоящий момент считаются верными, однако могут рассматриваться как подтверждение гипотез, выдвинутых на ►сновании процессов течения, развивающихся в прямых рубах благодаря винтообразному притоку воды.
С синхронизацией скорости и формы потока в спиралевидной или спиралевидной геликоидальной трубе было заметно фактическое уменьшение силы трения до нуля.
Полное исчезновение силы трения может происходить, когда кинетическая энергия воды, текущей в спиралевидной геликоидальной трубе, взаимодействует с ее спиралевидным движением, образующимся во входном отверстии благодаря нарезке на стенах трубы. Взаимодействие воспроизводит пространственные колебания воды, точно соответствующие закрученной конфигурации испытательной трубы.
В этой связи, однако, центростремительно направленная сила всасывания, являющаяся результатом закручивания течения, также вносит определенный вклад. Относительно экспериментальных моделей, исследованных в вопросе 1, фактически воздействие этой силы настолько велико, что подвешенные за один конец шелковые нити были скручены в трехмерную пространственную спираль, соответствующую форме потока, несмотря на гравитационные силы притяжения, действующие на них. Следует принимать во внимание, что те же самые слабо изогнутые потоки с сильным, центростремительно направленным закручивающимся движением и сильно изогнутые потоки с меньшим закручивающимся действием, наблюдаемым в вертикальной стеклянной трубе в испытательной установке 1, накладывались друг на друга, и это препятствовало их движению. В то же время кинетическая энергия воды образуется благодаря комбинации спиралевидной формы и нарезки через протекание воды по трехмерным спиральным и винтообразным стенкам трубы.
В случае со спиралевидной геликоидальной трубой (№ 2) имеют место следующие значения водовыпуска и скоростей потока.
Значение трения в спиралевидной геликоидальной трубе приближается к нулю:
когда q = 0,14 л/с или v = 0,28 м/с, и когда q = 0,19 л/с или v = 0,39 м/с, и когда q = 0,38 л/с или v = 0,60 м/с, и когда q = 0,46 л/с или v = 0,92 м/с и достигает максимального значения;
когда q = 0,127 л/с или v = 0,254 т/с, и когда q = 0,165 л/с или v = 0,330 м/с, и когда q = 0,225 л/с или v — 0,430 м/с, и когда q = 0,360 л/с или v =…..
В чертеже 9, который является наиболее всесторонним дополнением к чертежу 8, примечательно, что водовыпуск и гладких и прямых труб подвергается ритмичным колебаниям, очень похожим на таковые у спиралевидной геликоидальной трубы. Это, по-видимому, объясняется тем, что вода спирально закручивается во время подачи на водозаборнике экспериментальной установки, и тем, что установка имеет U-образную форму. Направление линий соединения, соответствующих измеренным значениям, даже позволяет предположить, что здесь мы имеем дело с двумя связанными с водовыпуском колебаниями, расположенными одно на другом, которые, вероятно, являются результатом объединенного действия, относящегося к скручиванию движения и конфигурации испытательного стенда.
Кроме того, следует отметить, что q — h-линия прямой стеклянной трубы (№ 4) в диапазоне водовыпуска от 0,13 до 0,20 л/сек абсолютно точно следует за кривой, которая в соответствии с принципом Вайсбаха описывается отношением
Н = 118.x tf
В сразу следующем после этого диапазоне большего водовыпуска тем не менее q — h-линия стеклянной трубы отклоняется очень заметно от этого фундаментального уравнения Вайсбаха. Водовыпуски увеличиваются намного быстрее с увеличением значения силы трения, чем это ожидаемо согласно основному закону Вайсбаха. Это результат процесса закручивания потока на водозаборе и U-образной формы испытательной установки.
Низлежащая часть q — h-линии для прямой медной трубы идет совершенно параллелью к q — h-линии стеклянной трубы; она смещается вниз относительно уровня трения h = 2,5 см. Потери, связанные с силой трения в медной трубе в области, где q = 0,13 кО, 20 л/сек, составляют толькоЬ=118х q2 — 2,5, несмотря на большую жесткость стен медной трубы по сравнению со стеклянной.
Это сокращение уровня трения при прохождении водных потоков через медные трубы может объяснить только тот факт, что медь более благоприятна для формирования закручивания потока, чем стекло. Как было уже обнаружено ранее, силы всасывания проявляются в потоке воды через это закручивающееся движение. Они и приводят к наблюдаемому сокращению трения. Величина этой всасывающей силы может быть условно определена посредством очень точного уменьшения трения, которое происходит самопроизвольно в областях с уменьшенным трением. Закручивающееся движение, рождающееся в медной трубе, производит дополнительную всасывательную способность А, где
А = 2,5q в см г/сек в низлежащей области q — h-линия и которая даже повышается в дальнейшем с увеличением водовыпуска от 325 до 500 см г/сек.
Не боясь заблуждений, можно предположить, что основное уравнение Вайсбаха для трения в трубах также справедливо при значении водовыпуска больше, чем 0,2 л/сек, если на водозаборнике создается препятствие для образования закручивающегося движения. Отсюда возможно дальнейшее развитие параболы для уровня трения по закону h = 118 х q = 0,2 л/сек. Разница в ординатах между этими параболами и соединительными линиями трех тестируемых труб отражает уменьшение уровней трения, и, как следствие этого, также может быть определена сила всасывания, которую создает закручивающееся движение воды и которая, как описано выше, формирует основу для подсчета всасывающей способности.
Чтобы проиллюстрировать этот ход мыслей, следует сказать, что значение силы всасывания в зависимости от водовыпуска графически отображается на 10-м чертеже. С его помощью была определена всасывающая способность А и отражена в чертеже 11 в виде q — А-кривых в зависимости от водовыпуска.
В случае со стеклянной трубой всасываающая способность постоянно увеличивается вплоть до А = 850 см г/сек при водовыпуске q = 300 см3/сек. Медная труба поставляет почти тот же объем, а всасывающая способность в ней приближается к А= 1860 см г/сек. То есть материал, из которого сделана труба, может интенсифицировать всасывающую способность воды на 1860—850 = 1010 см г/сек. С водовыпуском, равным 310 см г/сек, всасывательная способность спиралевидных геликоидальных труб достигает своего максимального значения в исследуемой области измерения, а именно А = 310» 11,1 — 3450 см г/сек. Это в 4,05 раза больше, чем у стеклянной трубы, ив 1,85 раза больше, чем у прямой медной.
Чертеж 10
Направление q — h- и q А-линий в отношении трех тестируемых труб, показанное на чертежах 10 и 11, описывает ритмическое колебание тенденции возрастания, четко видны постоянные и уменьшающиеся значения всасывания с возрастанием водовыпуска.
В зонах возрастания значения всасывания и всасывающие способности, увеличивающееся благодаря многомерному закручиванию потока, всегда сильнее, чем значение трения, которое, согласно формуле Вайсбаха, увеличивает нормальное турбулентное течение в трубах. Интерпретация и оценка наблюдений, обозначенных выше, позволяет сделать гипотетическое заключение о том, что синхронизация кинетической энергии текущей воды дает больше энергии благодаря закручиванию труб, чем требуется для того, чтобы преодолеть воздействие силы трения. Так можно получить постоянно возрастающее ускорение воды.
Однако это ускорение не может принять безграничное возрастание, поскольку области возрастания силы всасывания периодически сменяют зоны постоянной или уменьшающейся силы. Эти смены происходят только тогда, когда превышен оптимальный уровень синхронизации всех потоков, что приводит к усилению поступательного компонента движения при ослаблении вращательного и колебательного движений. В результате происходят различные асинхронные комбинированные действия налагающихся друг на друга кинетических процессов.
Направление кривых показывает, что в изученной области измерений они состоят из относительно длинных участков, на которых возрастает всасывающая способность, которые прерываются более короткими участками постоянной и уменьшающейся всасывающей способности. В областях постоянного увеличения значения силы всасывания прирост энергии, воникающий благодаря закручиваюшемуся движению воды — его можно наблюдать в стеклянной трубе, — настолько же велик, как и энергия, которую потребляет нормальный турбулентный поток. Однако прирост энергии в случае с медной трубой может быть намного большего значения, чем нормальное потребление энергии в турбулентном течении.
Чертеж 11
В зонах уменьшения значения силы всасывания и всасывающей способности кинетическая энергия текущей и вращающейся воды не синхронизирована с колебательными движениями. Через это интенсифицируется турбулентность потока до такого уровня, что потребление энергии, требуемой для передвижения воды в трубах, намного больше, чем прирост энергии, получающийся благодаря закручивающемуся движению.
Таким образом, нельзя игнорировать тот факт, что данные наблюдения могут не соответствовать реальности. Но их использовали с тем, чтобы получить примерные представления о величине сил, рождаюших феномен закручивающегося движения. Дальнейшие эксперименты должны пролить свет на их силу и влияние. Вообще, применение уже известных явлений на практике вполне осуществимо и должно не просто принести пользу, а совершить революционный переворот в сфере транспортировки газов и жидкостей.
Направления q — h, q — Н, q — А позволяют признать превосходство спиралевидных геликоидальных труб vis-a-vis медных прямых труб и непригодность стеклянных. Вкратце ответ на вопросы 2 и 3 можно сформулировать следующим образом: форма и материал труб имеют решающее значение для формирования завихряющегося движения и влияют насилу всасывания и всасывающую способность течения.
К вопросу 4.