Закрученные потоки встречаются в природе повсеместно – от движения воды в водовороте до глобальных атмосферных циклонов, вращения планет и даже траекторий элементарных частиц в магнитных полях. Геометрия спирали буквально пронизывает природную организацию: листья деревьев, лепестки цветов, рога животных и даже структура ДНК строятся по спирали. Неудивительно, что такие же принципы можно использовать в гидродинамике – не просто как визуальный эффект, а как рабочий физический инструмент.
В данном исследовании рассматриваются особенности закрученных течений двух типов:
А) условно одномерные (спираль вокруг одной оси),
Б) условно многомерные (комбинированные вихревые движения вокруг нескольких осей вращения).
Это два качественно разных подхода к управлению потоком жидкости. Эксперимент показал: отличие между ними – не только в геометрии, но и в происходящих внутри явлениях. Многомерные вихри демонстрируют уникальные эффекты, которые можно использовать в технологиях будущего.
Условно одномерное закрученное течение – это открытое (в пространстве) течение среды по спирали вокруг оси, направленной аксиально или радиально или аксиально-радиально.
Условно многомерное закрученное течение – это открытое (в пространстве) течение, когда среда вращается вокруг двух и более параллельных осей, которые в свою очередь также вращаются вокруг общего центра вращения аксиально или радиально, или аксиально-радиально. Здесь уместна грубая аналогия с канатной свивкой.
Рис. № 2. Тороидально-вихревые закрученные течения.
По-простому – одномерный поток – это классическое течение жидкости по винтовой спирали вокруг одной оси. Это хорошо изученный режим, широко используемый в насосах, сепараторах, смесителях. Поток как бы «наматывается» на ось.
Многомерный поток – принципиально сложнее. Он формируется, когда в жидкости создаётся нескольких центров вращения, которые организованы в единую структуру – например, как в канатной свивке. Здесь вихревые жгуты обвивают друг друга, вращаясь не только относительно своей оси, но и вокруг общего центра.
Эксперимент: сравнение одномерного и многомерного закрученных потоков
В лабораторных условиях был проведён эксперимент с двумя типами завихрителей:
– Классический винтовой (одномерный),
– Многомерный кольцевой ленточный (новой конструкции). Эксперимент проводился с двумя типами формирователей закрученных течений – ленточным многомерным кольцевым и классическим одномерным винтовым завихрителями.
Рис. № 3. Классический одномерный винтовой и ленточный многомерный кольцевой и завихрители.
Оба завихрителя работали в равных условиях:
– Одинаковая геометрия проходного сечения
– Скорость вращения: 1500 об/мин
– Жидкость: вода
– Объём: 5 литров
– Фиксация потребляемого тока электродвигателя▪ Визуализация структуры потока
Результаты:
Рис. № 4. Визуализация одномерного и многомерного потока при одинаковых условиях формирования.
Потребляемый ток электродвигателя: 20,4 мА – для многомерного завихрителя 20,7 мА – для классического одномерного (Неожиданно, но многомерный требовал меньше энергии!)
Возник эффект самобалансировки: При вращении многомерного ротора система автоматически компенсировала биение и вибрации. Это указывает на наличие стабилизирующих усилий, формируемых внутри потока вследствие взаимодействия вихревых жгутов.
Форма потока: Многомерный завихритель формировал тороидальную вихревую “воронку” с чётко визуализируемой границей. Толщина стенки воронки составляла около 1/3 от её наружного диаметра.
Физические эффекты многомерных вихрей
Многомерные закрученные потоки не только красиво выглядят – они показывают неожиданно полезные свойства:
При формировании сильных тороидальных вихрей наблюдалось локальное изменение температуры жидкости – охлаждение на внутренних границах и нагрев на внешних. Это может использоваться для пассивного теплообмена.
Само устойчивость вихрей:
После остановки завихрителя поток сохранял форму дольше, чем классический – возможно использовать для не искажаемого направления вещества или энергии.
Дополнительные силы:
Внутри многомерных вихрей формируются дополнительные центростремительные и центробежные силы – они влияют на удержание частиц, расслоение и транспорт веществ.
Интенсификация процессов:
– Фильтрация и сепарация усиливаются за счёт вихревого разнесения фаз.
– Смешивание идёт быстрее – возникает тонкая межфазная структура.
– Химические реакции ускоряются – потоки удерживают реагенты в контакте.
Возможные применения:
– Насосные и трубопроводные системы с пониженным сопротивлением
– Системы теплообмена (естественная конвекция в потоке)
– Вихревые сепараторы без движущихся фильтров
– Смесительные камеры в химической промышленности
– Разделение многофазных жидкостей
– Активаторы жидкости в медико-биологических системах
– Имитация атмосферных или астрофизических моделей (в научных целях)
Выводы
Многомерные закрученные потоки – это новая ступень в гидродинамике. Они обеспечивают более эффективное перераспределение энергии, создают само устойчивую структуру и формируют новые типы взаимодействия жидкости с телами в потоке.
Феномен само балансировки и температурные градиенты показывают, что речь идёт не просто о механической циркуляции жидкости, а о сложной волновой системе. Потенциал таких вихрей – не только в снижении потерь или ускорении процессов, но и в создании новых компактных тепло генераторов, активаторов, бесконтактных микс-систем или энергетических микроагрегатов.