Струйные насосы-эжекторы
В статье про тепловые узлы домов уже рассматривался элеваторный узел как вариант использования водоструйного насоса с приводом от напора тепловых сетей.
Элеватор вовсе не уникальное устройство, а лишь одна из версий применения широко известного семейства «струйных насосов».
Такими струйными насосами могут быть как водо-водяные, так и водо-газовые, газо-водяные или газо-газовые насосы. (см.рис.1.)
Рис.1. Струйные насосы различного назначения: водоструйный насос широкого профиля, элеваторный узел для отопления, пароструйный инжектор.
Струйными насосами со сжатым воздухом могут перекачивать даже сыпучие материалы: цемент, муку, песок и мелкую щебёнку.
Водо-водяными струйными насосами ведут размыв грунтов на дне водоёмов, откачивают нечистоты из колодцев и трюмов, а также даже перекачивают рыбу на рыболовецких судах. (см.рис.2.)
Рис.2. Описание различных исполнений и сфер применения струйных насосов. Интересно, что в перечне по назначению присутствует даже струйный насос для перекачивания рыбы.
Водоструйный вакуумный насос
Кроме эжектирующих насосов, где целью является именно перекачка другой среды, что достигается подхватом её в движение при взаимном смешивании струй, есть и другие способы применения водо-газовых струйных насосов.
Внезапно оказалось, что при некоторых условиях водоструйный насос способен создавать даже достаточно глубокий вакуум, выкачивая воздух из небольших сосудов.
Для этого используют специальные небольшие устройства типа Лабораторный «вакуумный водоструйный насос», который подключают к обычному водопроводному крану. (см.рис.3.)
Рис.3. Вид лабораторного стеклянного «водоструйно-вакуумного насоса» с длинным прямым водоотводом.
Лабораторный «вакуумный водоструйный насос» с тонкой кольцевой струёй.
В учебнике «Вакуумная техника» для Питерского ГУ ИТМО (бывший ЛИТМО- ленинградский институт точной механики и оптики) есть картинка, где показаны «водоструйные вакуумные насосы» . (см.рис.4)
Рис.4. Страница учебника «Вакуумная техника» для Питерского ГУ ИТМО, где «водоструйный вакуумный насос» нарисован в двух вариантах: с цилиндрической струёй воды и с кольцевой струёй воды. Рисунки некорректно нарисованы, так что созданные по ним устройства работать не смогут.
По сути это разные версии «водо-газовых» струйных насосов из рассмотренной выше обширной группы «водоструйных насосов».
На этой картинке представлены два варианта исполнения «водоструйно-вакуумных насосов» (далее ВВН):
а) ВВН с водяной струёй цилиндрической формы по центру диффузора,
б) ВВН с кольцевой струёй по стенкам диффузора с воздушной струёй по центру.
Первый вариант ВВН (вариант –а) очень похож на привычный водоструйный насос, которым он и является.
При этом рисунок варианта ВВН с центральной струёй воды более-менее похож на реальный образец стеклянного «Лабораторного водоструйно-вакуумного насоса» (см.рис.5.)
Рис.5. Разрез лабораторного стеклянного «вакуумного насоса» с длинным прямым водоотводом.
В тоже время ВВН с осевой подачей воздуха и боковым подводом воды (вариант-б) вообще неработоспособен в таком виде, как он показан на рисунке. В такой конфигурации давление воды обязательно пойдёт внутрь воздушной трубки, а никак не будет создавать в ней вакуум.
Получается, что автор рисунка из УЧЕБНИКА сам плохо разбирался в механизме работы ВВН, так как механизм работы насоса из рисунка не понятен, а построенные по этим рисункам насосы будут неработоспособными.
Вообще-то такие схемы ВВН широко применяются в коммунальном хозяйстве, где промышленный вариант ВВН применяется на очистных сооружениях для аэрации загрязнённой воды.
В качестве одного из вариантов конструкции ВВН также применяется исполнение «с кольцевой подачей эжектирующей струи» при подаче по центральной трубе всасываемой среды. (см.рис.6.)
Рис.6. Картинка из монографии про применение водоструйно-газовых насосов с кольцевой подачей воды в качестве аэраторов в коммунальном хозяйстве на очистных сооружениях.
А взята схема «эжекторного аэратора» с кольцевой подачей эжектирующей воды как обычно из узко специализированной научной-технической монографии про устройства для аэрации сточных вод при их очистке. (см.рис.7.)
Рис.7. Лист книги с аннотацией монографии про применение «водоструйно-вакуумного насоса» в коммунальном хозяйстве.
Таким образом, чтобы вариант ВВН типа –Б с кольцевой струёй воды из учебника для ИТМО заработал на самом деле, нужно очень сильно усложнить его конструкцию. Так внутри ВВН нужно создать тонкий кольцевой зазор для воды вокруг воздушного конического сопла.
Только в таком случае сформируется высокоскоростная струя воды, которая не сможет залетать внутрь центральной воздушной трубы, а создаст возможность высасывать из неё воздух.
Ниже показан реально работающий лабораторный стеклянный ВВН с возможностью работы при кольцевой подаче воды (см.рис.8.)
Рис. 8. Данный «водоструйный вакуумный насос» может работать в двух вариантах подачи воды: как по центральному соплу, так и по кольцевому зазору от бокового подвода. Такая обратимость связана с тем, что тонкое сопло вставлено с малым зазором в узкое сечение диффузора, тем самым создавая вертикально направленный кольцевой поток воды вдоль стенок диффузора.
Особенность именно этой формы в том, что тонкое сопло вставлено с малым зазором в узкое сечение диффузора.
В такой конфигурации ВВН при подаче воды от бокового ввода образуется кольцевая высокоскоростная струя вниз вдоль поверхности диффузора, а по центру будет отсасываться воздух, налипая на вновь образующиеся поверхности воды кольцевой струи.
При этом данная версия ВВН может работать в обоих вариантах подвода воды и воздуха.
В промышленно- стальном исполнении водоструйный насос с универсальной подачей эжектирующей среды будет выглядеть как на рисунке (см.рис.9.)
Правда, в нарисованной конфигурации промышленного «водоструя» в варианте с центральной водяной струёй глубокий вакуум будет создаваться только при очень больших напорах воды, но в качестве аэратора с малым разрежением он будет работать вполне исправно.
Рис.9. Исполнение «водоструйно эжектирующего насоса» каторое может работать как водо-водяной, так и в водо-газовом режиме. При этом в водо-газовом режиме тянущая вода может подаваться как по осевой струе, так и с боку по кольцевой струе.
Принцип работы водоструйно-вакуумных насосов
Я не буду сам описывать общепринятую версию того, как работает «водоструйный вакуумный насос».
В качестве описания приведу чужой текст в виде картинок. (см.рис.10-11.)
Рис.10. Описание характеристик стеклянного лабораторного «водоструйно-вакуумного насоса». Интересно, что уровень вакуум определяется давлением насыщеных паров воды при температуре эжектирующей воды.
Рис.11. Ещё одно описание характеристик стеклянного лабораторного «водоструйно-вакуумного насоса». Интересно, что уровень вакуум определяется давлением насыщеных паров воды при температуре эжектирующей струи плюс фиксированная добавка в 3,33гПа (333Па). Похоже именно 333 Па и есть реальная глибина воздушного вакума, как парциальной составляющей общего давления в вакуумируемом сосуде. Могу только предположить, что 333Па – это равновесное давление с растворённым в воде воздухом. Проверяется остаточное давление именно воздуха путём вымораживания вакуумированного сосуда, когда пары воды оседают на стенках инеем, а давление в колбе остаётся только от остатков воздуха. Также можно проверить эту версию запустив насос в работу на предварительно деаэрированой воде.
Правда из этих описаний понятен только достигаемый результат работы «водоструйно-вакуумного насоса», но сама физика захвата воздуха струёй воды не расшифровывается, как бы подразумевая её «очевидность».
На самом же деле принцип его работы не так очевиден , как это может показаться.
Для подробного разбора принципа работы «водоструйного вакуумного насоса» необходим детальный чертёж с точными размерами сопел и дифузоров. (см.рис.12-14.)
Рис.12. Разрез лабораторного стеклянного «вакуумного насоса» с длинным прямым водоотводом.
Рис.13. Вид пластикового «вакуумного насоса» в собранном виде.
Рис.14. Разрез пластикового «вакуумного насоса» в собранном виде.
Чертежи с размерами водоструйных насосов брал из видео по ссылке.
Как работает «водоструйный вакуумный насос» с точки зрения гидродинамики
Сначала рассмотрим «очевидный» вариант объяснения.
Струя воды из сопла со скоростным напором более 100кПа (1бар) вылетает из тонкого сопла ВВН и через короткое расстояние попадает в узкое горло конического диффузора с малым углом раскрытия.
Расстояние от эжектирующей струи до стенок диффузора ВВН на входе в диффузор значительно меньше радиуса сопла (см.рис.15-17).
Рис.15. Разрез стеклянного «вакуумного насоса» с размерами. Зазор между струёй из сопла и стенкой диффузора составляет всего 0,25мм на сторону.
Рис.16. Разрез отдельных деталей пластикового «вакуумного насоса» с размерами. Для центрирования сопла по центру отверстия диффузора в пластиковом корпусе видны маленькие треугольные упоры со сплошной заливкой чёрным. Зазор между струёй из сопла и стенкой диффузора составляет всего 0,15мм на сторону. В широком раструбе водоотводящей трубы установлена водобойная пластина, равная диаметру водяной струи из сопла Ф3мм, что делает невозможным прямой излив незаторможенной струи.
Рис.17. Вид на тормозную водобойную преграду на конце диффузора перед водотводящим широким раструбом. Благодаря этой пластине по центру струя из сопла не может вылетать из диффузора без торможения. Разбившаяся о преграду водяная струя затапливает диффузор, изолируя зону разрежения от притока атмосферного воздуха.
Диффузор ВВН устроен так, что струя обязательно его затапливает, разбившись о лежащее ниже препятствие в водоотводной трубке (изгиб трубки или специальная водобойная пластина).
Получается ситуация, что тонкая водяная струя бьёт в толстый слой воды в узком диффузоре, где струя тормозится и создаёт тормозное давление, равное её скоростному напору по всему данному сечению.
Именно это тормозное давление на поперечном сечение конического диффузора и создаёт вакуум внутри воздушной полости. При этом противодействие тормозному напору струи создаёт внешнее давление атмосферы.
Выходит, что должно выполнятся равенство внешнего давления атмосферы на сечение диффузора и силы от тормозящейся струи.
При разном напоре воды скорость струи будет также разной, а потому торможение со средним давлением разряжения 1 бар по сечению диффузора будет возникать при разных сечениях диффузора.
Так отношение площадей сопла струи и сечения диффузора в зоне торможения струи будут подчинятся закономерности:
2*Sст*Р cт = 1бар *Sдиф
Откуда получаем
2*Рст/1бар= Sдиф / Sст =(Dдиф/Dст)^2
В данном случае коэффициент 2 означает, что тормозное усилие от струи «на стенке» будет ровно в 2 раза больше, чем произведение скоростного напора струи на её сечение . Это следует из закона Ньтона:
F=dm*v/dt=( q*Sст*V)*V= q*Sст*V^2 (1.1)
То есть при разных напорах воды в эжектирующей струе (1-5 бар) уровень сечения торможения струи будет менять своё положение по длине диффузор.
Максимальное изменение диаметров будет от Dдиф=1,4*Dстр для давления воды 1 бар, до Dдиф=2,24*Dстр для давления воды 5 бар.
То есть видна крайне незначительна величина в изменение диаметра конуса диффузора для крайних значений напора воды.
Собственно, это и есть смысл установки в ВВН диффузора малой конусности после водяного сопла, чтобы возникал самоустанавливающийся режим подбора сечения отводящей трубы для имеющегося в водопроводе напора и расхода инжектирующей струи. (см.рис.18.)
Рис. 18. Приблизительная картина установления вакуумирующей водяной пробки в сечении конического диффузора. Струя из сопла остаётся цилиндрической до самого момента начала торможения в вихрях обратного тока. После торможения струи далее по диффузору идёт медленный поток уже загазированной воздухом воды.
Так отдаляясь или приближаясь к соплу ВВН меняется площадь сечения диффузора в зоне торможения струи, тем самым обеспечивая постоянный перепад давления:
дР=1 бар=Fт/Sдиф,
При этом изменение площади сечения местного диаметра диффузора Sдиф обеспечивает автоматический самоустанавливающийся самоподбор при переменном импульсе струи Fт, зависящем от давления воды в водопроводе:
Fт=q*Sст*Vcт^2
Так как скорость струи связана с давлением в водопроводе, то с учётом потерь на разгонном участке конусного сопла с коэффициентом потерь около К=0,1 (от выходного напора) получаем силу тяги струи, которую можно выразить через давление воды в водопроводе:
Рвод*(1-К)= (q*Vcт^2)/2
Тогда квадрат скорости струи будет иметь значение:
Vcт^2= Рвод*(1-К)*2/q (1.2)
Подставим (1.2) в (1.1) и получим силу тяги струи через давление в водопроводе:
Fт=q*Sст*Vcт^2= q*Sст* Рвод*(1-К)*2/q
После сокращения одноимённого значения плотности воды в числителе и знаменателе получим формулу:
Fт=Sст* Рвод*(1-К)*2
Что при К=0,1 даст значение:
Fт=1,8* Sст* Рвод
Из этого соотношения можно сделать интересный вывод, что самобалансировка уровня воды в диффузоре возникает при равенстве:
Sдиф*Ратм=(1-К)*2* Sст* Рвод
Откуда получаем соотношения размеров сечений сопла и диффузора:
Sдиф/Sст =(1-К)*2* Рвод/Ратм
Так при давлении 3 атм в водопроводе
Соотношение сечений должно составить:
Sдиф/Sст =(1-К)*2* Рвод/Ратм =(1-0,1)*2*3/1 =5,4
Ну, а диаметры будут иметь отношение:
Dдиф/Dсоп=( Sдиф/Sст)^0,5 =5,4^0,5=2,32
То есть разница диаметров отверстия сопла и конусного диффузора должна быть очень малой даже при достаточно высоком давлении Рвод=3 атм в водопроводе, что затрудняет изготовление вакуумных водоструйных насосов с малыми расходами воды при малых толщинах стенок сопла и диффузоров.
Совершенно не случайно в описание для лабораторного «водоструйно вакуумного насоса» приведено рабочее давление 2942 гПа= 3 атм (см.рис.19.)
Рис.19. Описание работы лабораторного «водоструйно- вакуумного насоса» с указанием минимальных требований к давлению воды в водопроводе на уровне 2942гПа=3 атм.
Это подтверждается при рассмотрение размеров сопел и диффузоров в реальном «водоструйном вакуумном насосе» в стеклянном и пластмассовом исполнение.
В случае варианта с кольцевой подачей воды в разницу 0,4*Dст нужно уложить не только толщину стенок стеклянных сопел и дифузоров, но и толщину кольцевого слоя. То есть технология стеклодутия накладывает ограничения на минимальные размеры диаметра струи.
Что касается применения «водоструйно вакуумного насоса» с кольцевой струй воды, то это конструктивное исполнение позволяет использовать малонапорные струи воды с большим расходом воды для получения вакуума нужной глубины.
Эта низконапорнасть кольцевой струи обеспечивается возможностью устройства отверстия для воздуха очень малого диаметра при малых расходах воздуха (1л за 6 минут = 1/6=0,15л/мин).
В тоже время вода расходуется с интенсивностью около 10л/мин, что делает расход воды в 60 раз больше по объёму, чем отсасываемый воздух при вакуумирование сосуда.
Довольно обидно было бы сливать чистую воду напрямую в канализацию с интенсивность 10л/мин=600л/ч.
Чтобы сэкономить чистую воду из-по крана придумали «ваккумные водоструйные насосы» с замкнутым оборотом воды. В таком вакуумном насосе запаса воды прокачивается через буферную ёмкость для дегазации , а нагнетает воду в струю маломощный электронасос (см.рис.20.)
Рис.20. Вакуумный водоструйный насос с замкнутым циклом использования воды. В данной установке вода с расходом 10л/мин берётся из встроенного резервуара (15л) и возвращается в него же в газированном виде после прохода через вакуумирующий насадок. Газированная вода отстаивается в резервуаре, после чего снова подаётся с помощью нагнетающего насоса высокого давления в «водоструйный вакуумный насос».
Механизм захвата воздуха струёй воды в «водоструйном вакуумном насосе»
Выше я описал гидродинамику процесса создания вакуума между соплом и затопленым диффузором в «водоструйном вакуумном насосе».
Но как происходит отсос воздуха в этой конструкции?
Сразу напрашивается решение, что струя воды просто цепляет воздух за счёт вязкого трения, а потом протаскивает этот слой в тонкий зазор диффузора.
Это замечательная версия, и именно так осуществляется разгон всасываемой воды в обычных водоструйных насосах и в элеваторах тепловых узлов зданий.
Вот только для подсоса воздуха эта версия не работает, так как этот же «водоструйный вакуумный насос» с незатопленным диффузором прекрасно пропускает струю воды без торможения на вылет, но воздух при этом совсем не отсасывается.
Точнее «водоструйный вакуумный насос» с незатопленной струёй в диффузоре создаёт совсем незначительное разряжение, далёкое от нужного вакуума с абсолютным давлением в 1-2кПа (1-2% от атмосферного давления 1 бар).
До сих пор нет однозначной общепринятой версии объяснения такого захвата воздуха скоростной струёй.
При этом в рамках существующей Кинетической теории газов (КТГ) это также не может быть объяснено.
Ведь газовые молекулы при температуре +20С движутся со скоростями около 490м/с, а потому будут отскакивают почти одинаково от струи с нулевой скоростью или от струи со скоростью 30м/с (давление 5бар в водопроводе).
Кавитация
Следующее объяснение- это «кавитация».
Кавитация возникает при разгоне струи до высокой скорости, так что скоростной напор оказывается больше, чем давление внешнего подпора атмосферой. Тогда вокруг затопленной струи возникает закипание воды при низких температурах, что сопровождается вытеснением из объёма диффузора жидкой воды и заполнением этих пустот парами воды. (см.рис.21-22.)
Рис. 21. Картинка из учебника, где зона на сопряжении диффузора с соплом указана со следами эффекта кавитации.
Рис.22. Фото кавитирующей струи внутри стеклянного диффузора. Вода идёт слева направо, а после разгона струи в узком сечение скоростная струя влетает в расширяющийся объём диффузора. Важно отметить, что пузырьки от кавитационных паров интенсивно образуются не в самой скоростной струе, а в заторможенной зоне тороидальных спутных вихрей обратного тока воды, где скорость близка к нулю, а давление ниже атмосферного.
Проблема с объяснением через «кавитацию» в том, что это вовсе не другое объяснение, а лишь разная форма организации уже описанного гидродинамического механизма с торможением высокоскоростной струи после узкого сопла в замедленный потока из самой же струи в расширенной части трубы.
Именно по такому «кавитационному» принципу устроенны некоторые эжектирующие воздух водоструйные насосы (см.рис.23-24.)
Рис.23. Водоструйный насос эжектируший воздух. Подача воздуха осуществляется сразу после самого узкого сечения сопла на переходе к расширению в диффузоре.
Рис.24. Крупный план фрагмента соплового узла водоструйного насоса эжектирушего воздух. Подача воздуха осуществляется по круговой щели тонким слоем на границу раздела струи воды и стенки диффузора. Такая подача позволяет оторваться потоку от стенки, а сразу за соплом в диффузоре образуется воздушная каверна. Таким образом данный водо-газовый струйный насос превращается в оптимизированную форму «вакуумного водоструйного насоса».
Сложностью в работе нарисованной выше конструкции состоит в том, что требуется высокая точность сопряжения по общей оси этих двух крупных изделий: разгонного сопла с тонким выходным отверстием и тормозного диффузора с входным отверстием чуть большего диаметра.
Эту чисто технологическую проблему решают такими же чисто технологическими средствами, изготавливая узел сопряжения сопла и диффузора с кольцевым входом воздуха как единую деталь из монолитного куска металла (см.рис.25.)
Рис.25. Узел сопряжения сопла и диффузора из единого куска металла с гарантированной точность сопряжения и соосностью сопла и диффузора. Интересен данный узел тем, что внутри сопла даже нет необходимости делать кольцевую проточку для воздуха, так как заход струи на сопло сделан преднамеренно с отрывом струи на острой кромке конуса, что обеспечивает возникновение кольцевой гидродинамической каверны сразу за кромкой входа из подающей трубы в цилиндрический участок критического сечения сопла.
Важно то, что «кавитация» даёт объяснение поддержания вакуумирования сосудов, если присоединить их трубкой к зоне образования кавитационной каверны при входе струи из узкого сопла в диффузор.
Проблема только в том, что с помощью явления «кавитации» так и не дано объяснение самого механизма захвата воздуха струёй воды когда воздушная каверна в диффузоре уже образовалась.
Подобный эффект возникновения кольцевых каверн за острыми кромками входных отверстий подробно описывается в гидродинамике при рассмотрении насадков для истечения воды из сосудов (см.рис.26-27.)
Рис.26. Схемы потоков в различных насадках при истечении воды из сосуда. Видны кольцевые застойные зоны позади острых кромок входа в заужение. Вариант (Д) соответствует разбираемому водо-газовому струйному насосу или «вакуумному струйному насосу».
Рис.27. Страница из учебника с описанием гидродинамики струи в насадке при истечении воды из сосуда. Тут важно упоминание возникновение вакуума в сечение С-С, то есть как раз в зоне отрыва потока струи от стенок за острой кромкой входного отверстия. Если в зону С-С подать через отверстие воздух из атмосферы, то насадок превратится в отверстие, бьющее струёй навылет. (см.рис.28)
Рис. 28. Варианты истечения струи из насадка: А) Струя прилипает к стенкам с образованием вихревой зоны пониженного давления в сечение 1-1. Б) Если в турбулентную зону в сечение 1-1 начнёт попадать воздух из атмосферы, то струя не прилипнет к стенкам и пролети насадок без торможения.
Статическая теория газов и объяснение эффекта вакуумирования в водо-газовых струйных насосах
Кинетическая теория газов (КТГ) не может объяснить захват воздуха струёй воды вплоть до возникновения глубокого вакуума. Ведь молекулы газа по КТГ летают с бешенными скоростями (490м/с при +20С) и отскакивают от любых препятствий без потери скорости и без слипания с препятствием при столкновении.
Другое дело Статическая теория газов (СТГ), по которой молекулы газа относительно неподвижны и отталкиваются от соседних молекул центральными силами отталкивания (внутриатомная природа сил отталкивания пока не известна).
Про СТГ подробнее можно прочитать по ссылке.
https://habr.com/ru/articles/440848/
По этой теории молекулы газа на границе с жидкостью влипают в жидкость, отталкивая следующий ряд молекул газа от поверхности жидкости. (см.рис.29.)
Рис.29. Схематическое изображение пограничной зоны контакта разных фаз Жидкость-Газ (Вода-Воздух) в случае Статической теории газа (СТГ): а) Газ при давлении 1 атм. над жидкой водой (расстояние между центрами молекул приблизительно в 10 раз больше, чем в жидкой фазе); б) Тот же газ над водой при той же температуре, но при давлении 10 атм., при этом расстояние между центрами молекул газа сокращается в 10^1/3=2,15 раз. Отчётливо видно, что первый слой газа над водой прилип к воде, а следующие слои уже отталкиваются от поля отталкивания прилипших к воде молекул газа.
По модели СТГ становится понятно, почему струя воды из водопровода подхватывает молекулы воздуха, которые буквально влипают в поверхность воды.
После такого захвата молекул воздуха на свою поверхность струя воды выносит молекулярный слой воздуха из воздушной полости «вакуумного насоса» в слой воды в диффузоре.
Вода в диффузоре оказывается перенасыщена воздухом, от чего начинает пузырится как газированный напиток.
Исходя из этой теории скорость откачивания воздуха будет прямо пропорциональна скорости струи и длине окружности сечения струи. Длина струи в воздухе значения практически не имеет, так как воздух цепляется на воду почти сразу на срезе сопла водяной струи.
Так что для повышения производительности откачивания воздуха при неизменном расходе воды можно пробовать делать щелевые плоские струи с такими же плоским «клиновидными» диффузорами, или дробить толстую струю на много тонких струек с равным суммарным расходом воды. (см.рис.30.)
Рис.30. Варианты эжектирующих насосов большой производительности: Верхний- одноструйный насос, Средний - многоструйный, Нижний- регулируемы по расходу тянущей струи с двухэтапным эжектированием для предварительного дробления струи в мелкокапельный вид.
Пример струйно-водяного «воздухососа» в природе
В качестве иллюстрации воздушного отсоса в природе можно привести в пример природные водопады.
Так струя воды падает с высокого обрыва, рассыпаясь в полёте на мелкие капли, тем самым резко увеличивая площадь поверхности воды в потоке.
На эту новую площадь воды налипает воздух, после чего капля вместе с прилипшим воздухом падает в массив воды нижнего бьефа.
Внутри массива водяного слоя мелкие капли опять собираются в бесповерхностный объём, а газообразный воздух из тонких слоёв большой площади собирается в отдельные пузырьки со значительно меньше внутренней поверхностью и большим объёмом воздуха внутри.
В итоге из этих мелких пузырьков получается газированная вода в нижнем бьефе, которая белым пенным потоком идёт далеко от водопада. (см.рис.31-33.)
Рис.31. Вид на Ниагарский водопад.
Рис.32. Вид на городской водопад в реке с малым перепадом уровня. Вода после водопада белая от микроскопических пузырьков воздуха, тогда как в потоке до водопада виден тёмный слой прозрачной воды вообще без пузырьков. Тонкослойный водопад с небольшим перепадом даёт более яркий эффект забеливания воды пузырьками, чем огромный ниагарский водопад с толстым слоем воды в потоке.
Рис.33. Вид на водопад в реке с малым перепадом уровня. Вода после водопада цвета «кофе с молоком» от микроскопических пузырьков воздуха, тогда как в потоке до водопада виден тёмный слой прозрачно-торфяной воды вообще без пузырьков. В средней части водопада видна заводопадная каверна, где наружная часть потока гладкая и выпуклая без разрывов, а сквозь прозрачный слой видно вспенивание воды со стороны заводопадного пространства.
Часто под карнизом водопада бывают естественные пещеры. В них вновь образованные поверхности воды с нижнего края потока при отрыве с карниза также подхватывают воздух из этих пещер, тем самым создавая разрежение в пещере. В результате под водопад начинает дуть заметный ветер с направлением только туда.
Данное предположение легко проверяется на небольших городских водопадах, где есть свободный проход под плоской струёй воды (см.рис.34.)
Рис.34. Плоскоструйный садово-парковый декоративный водопад с проходом под струёй. Струя толстая и короткая, так что на небольшом перепаде высоты ещё не распадается на отдельные капли, так что эффект забеливания воды мелкими пузырьками воздуха не так сильно выражен.
Если установить по бокам падающей плоской струи вертикальные стенки, перекрыв свободный доступ воздуха с боков под струю, то можно ощутить, как под струю пойдёт поток воздуха через тонкие зазоры между стенкой и струёй.
Если же боковые стенки будут касаться падающей струи, то падающий поток начнёт вжиматься внутрь пещеры, так как объём воздуха в пещере начнёт убывать из-за уноса воздуха со струёй.
Собственно, всё это не является тайной, но как обычно описывается в каких-то других отраслевых учебниках.
Именно такое «вакуумирование подструйных пространств» на водопадах весьма подробно описано в специальных учебниках и книгах, посвящённым устройству водосливных желобов в речных плотинах. (см.рис.35-36)
Рис.35. Рисунок из учебника, где изображена изолированная пустота под струёй водослива плотины с разрежением относительно атмосферы.
Рис.36. Иллюстрации к режимам водослива с гребня плотины с образованием изолированных от атмосферы полостей под струёй.
В этих же учебниках про речные плотины также можно найти иллюстрации к режиму торможения скоростного тонкого потока в русле реки при его резком расширение в нижнем бьефе (аналог тормозного диффузора в водоструйном насосе).
При этом на картинках хорошо видно динамику смешивания плоской струи с обратными течениями воды при торможении струи самой в себя после плотинных водосбросов. (см.рис.37.)
Рис. 37.Изображения примерных векторов скоростей потока при падении струи с плотины в нижний бьеф. Хорошо видны прямые скорости потока и обратные течения, которые как раз и тормозят струю при её падении с плотины в нижний бьеф.
Так на рисунке сечения водосброса с плотины отлично показано возникновение спутных вихрей, где виден попутный ток воды при торможении струи об массив воды в нижнем бьефе (тормозном диффузоре) и обратный ток воды на отдалении от скоростной струи
Плоские струи на плотине проще анализировать, чем столкновение цилиндрических струй в круглых трубах. (см.рис.38.)
Так в плоской струе на плотине вихрь по длине плотины имеет постоянное сечение, тогда как вихрь в трубе имеет тороидальную форму со сложными законами изменения скорости в сечение тора по радиусу от оси трубы и тормозящегося скоростного потока жидкости.
Рис.38. Эпюры скоростей потока при падении струи с плотины в нижний бьеф. Хорошо видны прямые скорости потока и обратные течения. Точка на эпюре с нулевой скоростью соответствует центру водяного вихря в нижнем бьефе плотины, который как раз и тормозит струю при падении с плотины. Данная картинка не совсем корректна по сути, хотя и хорошо вычерчена. Так на ней не показан провал уровня при встрече скоростного потока с тормозным вихрем, хотя на художественной картинке выше этот провал в уровне явно виден и весьма логичен по сути.
Бытовые примеры запенивания жидкостей кинетическими струями
Молочный коктейль
Миксер для взбивания молочных коктейлей (см.рис.39.) работает приблизительно по тому же принципу, что и вспенивающий воду водопад.
Рис.39. Миксер для взбивания молочных коктейле, где вращающаяся в стакане жидкость поднимается на стенки до момента обнажения крыльчатки и начала подсоса воздуха к ней.
Так в центре стакана вращается стержень с маленькой крыльчаткой, разгоняя жидкость в стакане по кругу. В результате чего в стакане формируется тороидально-фихревой поток, постоянно отрывающий воду от стенки стакана, тем самым создавая новую поверхность для налипания воздуха. После чего эта новая поверхность с налипшим воздухом направляется к центру стакан и вниз к вращающейся крыльчатке, которая загоняет эту внешнюю поверхность воды с газовым слоем в толщу жидкости на дне стакана. Это и есть взбивание молочного коктейля, при котором весь объём жидкости насыщается пузырьками воздуха.
Ручной блендер
Чуть иначе организована работа ручного блендера.
У ручного блендера вращающаяся крыльчатка накрыта защитным колпаком, что мешает раскручивать жидкость в стакане с коктейлем. (см.рис.40.).
Рис.40. Ручной блендер с воздушным защитным колпаком над вращающейся крыльчаткой.
Но воздух есть под самим колпаком над крыльчаткой, и именно этот воздух крыльчатка вгоняет в массу взбиваемой жидкости вместе с отдельными каплями слетающей с крыльчатки жидкости.
Для взбивания ручным блендером необходимо периодически поднимать и опускать блендер в стакане, каждый раз захватывая колпаком блендера новую порцию воздуха для последующего вбивания его в коктейль. (см рис.41.)
Рис.41. Подхват воздуха блендером под купол ножа-крыльчатки с вбиванием пузырьков воздуха в толщу жидкости.
Если блендер не поднимать до захвата новой порции воздуха, то смесь в стакане будет перемешиваться и измельчаться вращающейся крыльчаткой, но взбиваться в пену не будет. Именно так с помощью ручного блендера готовят крем-суп прямо в кастрюле.(см.рис.42.)
Рис.42. Применение блендера в качестве измельчителя-перемешивателя без взбивания пены при приготовлении супа-пюре.
Приготовление мелкодисперсных газо-жидкостных смесей в технике
Механизм образования новой поверхности воды для налипания на ней молекул воздуха широко используется в водо-газоструйных эжектирующих насосах.
Так в водоструйно-газовых насосах низкого разрежения не просто вбивают толстую струю жидкости в воздушный объём, а сначала измельчают струю на мелкие капли (например, на вихревых форсунках), так чтобы тот же объём жидкости обретал в десятки и сотни раз большую поверхность в виде мелкодисперсных капель.
Ровно эта мысль описана в одной из глав в ранее названой монографии про «водо-воздушные эжектирующие насосы» (см.рис.43.)
Рис.43. Страница из монографии. Наиболее ценны последние четыре строчки текста в одно предложение, где описан максимальный эффект повышения расхода газа за счёт многократного увеличения площади поверхности струи за счёт дробления воды на мельчайшие капли при вихревой конфигурации сопла водо-газовых струйных насосов.
Длительное витание мелких капель в природе
Получается, что мелкие капли жидкости облепляются газовыми молекулами, и тем самым летящие массивные капли увлекают на себе больше газа.
Мелкая капля жидкости после облипания газовыми молекулами резко увеличивает свое аэродинамическое сечение, что позволяет такой капле быстрее тормозиться об окружающий воздух, быстрее вовлекая эжектируемый воздух в попутное движение.
Также облепленные газовыми молекулами мелкие капли воды будут значительно медленнее падать и под действием силы тяжести, чем это получается из расчёта по законам газовой аэродинамики для собственного размера и веса капли.
Именно по этому мелкодисперсные капли природного водяного тумана после конденсации из воздуха могут очень долго «висеть» в воздухе, оседая росой на траву только под утро. (см.рис.44-45.)
Рис.44. Вечерний туман повис неподвижным слоем над лугом во время заката солнца.
Рис.45. Вечерний туман повис неподвижным слоем над лугом после заката солнца.
Кстати, падение капель росы по теории КТГ должно быть стремительным, так как полёту капель под действием гравитации не могут помешать разрозненные разнонаправленные удары безумных бильярдных шариков газовых молекул.
Ведь по КТГ суммарный результат удара молекул газа по капле воды должен быть равен нулю в силу статистического равенства давления со всех сторон, то есть газ не может затормозить падения жидкой капли.
Получается, что туман по КТГ не может так долго висеть в воздухе.
Интересно, что плотность жидкой воды в восемьсот раз большей , чем плотность у газообразного воздуха.
Таким образом, капельный конгломерат из ста молекул жидкой воды вообще проходит мимо хаотично скачущих по КТГ бильярдных шариков атмосферного воздуха, так как капля оказывается меньше среднего расстояния между молекул, и не вытесняет никакого их пространства.
