Эксперимент по натурному моделированию вихревых структур «циклонов» и «смерчей» на лабораторной установке комнатной размерности.
Ранее я написал несколько статей про предполагаемые механизмы работы циклонов и смерчей в атмосфере планеты Земля.
Какими силами закручиваются в вихри разрушительные смерчи и тропические ураганы? / Хабр
Зачем нужен «глаз» тропическому циклону и как дуют ветры под облачным покровом циклона? Часть-2
Механизмы образования антициклонов над континентами. А причём тут роса на траве по утрам?
После написания этих статей у меня возник вопрос :
А можно ли построить мелкомасштабную действующую модель циклона и смерча, чтобы на практике проверить теоретические предположения?
Порывшись в интернете на тему натурных экспериментов со смерчами я выяснил, что во всех действующих «макетах» смерчей основное внимание уделяется закручиванию шнура смерча.
В моей модели «смерча» роль вращения «шнура смерча» имеет второстепенное значение, а основное значение имеет обжатие осевого шнура встречными потоками воздуха, направленными к оси.
Именно такой макет встречных потоков воздуха к общему центру на плоскости я и решил построить.
Для этого нужен высоконапорный вентилятор и само плоское кольцевое распределительное устройство для воздуха.
Всё это я собрал в единую установку из подручных материалов и доступных по цене бытовых устройств (см.рис.1.)
Рис. 1. Общая схема установки для имитации сходящихся к центру осесимметричных вихревых потоков типа «смерч».
Высоконапорный вентилятор
Сначала я попытался найти нужный вентилятор в разделах «вентиляционное оборудование».
Но там не оказалось высоконапорных вентиляторов малой производительности, при этом цены были очень высокими.
Тут я вспомнил о функции выдувания у бытовых пылесосов, с помощью которых раньше в СССР белили потолки через распылитель с фасонной крышкой, одеваемой на обычную стеклянную банку - это называлось «пульверизатор».
В итоге в качестве высоконапорного вентилятора я использовал обычный строительный пылесос с функцией выдувания воздуха. Пылесос выглядит приблизительно как на картинке по виду и цене. (см.рис.2-3.)
Рис. 2. Общий вид пылесоса, принятого мной в качестве высоконапорного вентилятора.
Рис.3. Краткие технические характеристики пылесоса, принятого в качестве воздуходувки.
То есть всего за 4 тысячи рублей я получил очень мощный вентилятор с малым расходом около 5,3*3600/1000=19м3/ч , но с очень высоким предельным давлением в 17кПа =1,7м.вод.ст.
Правда это максимальное давление на всасывание возникает с расходом около нуля, то есть при работе с заткнутым отверстием.
В режиме максимального расхода пылесоса через шланг без насадков скоростной напор струи составлял более 2кПа (200мм.вод.ст)- более глубокого кувшина у меня не нашлось, чему соответствует скорость потока более 58 м/с (= более 208км/ч).
Расход воздуха через выходную трубу с диаметром Ф27мм в шланге пылесоса при этом составил около 33л/с или 119м3/ч:
Q=(0,27/2)^2*3,14*10*58=33л/с
Q=(0,27/2)^2*3,14*10*58*3600/1000=119м3/час
Плоский кольцевой распределитель воздуха
Распределитель воздуха я сделал из почти бесплатных подручных материалов, а именно пластиковое ведёрко на 1л от квашеной капусты из «пятёрочки», и металлической винтовой крышки от каких-то солений из того же магазина.(см.рис.4.)
Рис.4. Пример пластикового ведёрка из-под магазинных солений, которое было использовано в эксперименте.
Прорезать круглые отверстия в тонком пластике ведёрка и в его крышке не составило труда обычным канцелярским ножом.
Герметизация сочленений велась с помощью прозрачного канцелярского скотча и полиэтиленовых пакетов.(см.рис.5-6)
Рис.5. Общий вид распределителя плоского потока в сборе.
Рис.6. Общий вид распределителя плоского потока со снятой крышкой.
Результат продувки системы
Визуализация «смерча»
Первый же запуск полученной сборки дал положительный результат: сложное течение воздуха с явными узлами поворотов ощущалось простым прикосновением пальцев.
Для визуализации воздушных потоков пришлось приобрести дополнительно «дымовую машину», которые применяют на концертах для дымовых спецэффектов.
Оказалось, что такие дымовые машины бывают совсем крохотными для домашних комнатных дискотек, и цена их оказалась тоже совсем небольшой, то есть даже меньше, чем у пылесоса. (см.рис.7.)
Рис.7. Примерный вид дым-машины для визуализации потоков воздуха в экспериментальном смерче.
При продувке задымлённого воздуха через дисковый воздухораспределитель получилась яркая картина, которая очень походила на вид природного смерча.
При чём, если продувать через ведёрко прямой поток воздуха, то получается узкий вертикальный столб дыма, постепенно расширяющийся по высоте, то есть практически как «смерч». (см.рис.8-11)
Рис. 8. Дымовой столб «смерча».
Рис.9. Дымовой столб «смерча». Отклонение вправо связано с большим напором струи в ведёрке после удара о дальнюю стенку и вылетом её вверх к выходной щели. Дым над банкой почти не клубится из-за высокой скорости потока на полной мощности пылесоса.
Рис.10. Дымовой столб «смерча». Плотность дыма увеличилась при снижении расхода воздуха от пылесоса, дым в столбе стал заметнее клубится на внешних краях из-за меньшей скорости воздух в потоке «смерча».
Рис.11. Дымовой столб «смерча». Дым над банкой почти не клубится из-за высокой скорости потока на полной мощности пылесоса.
Обнаружение «пятки смерча»
По центру дискового воздухораспределителя было сделано отверстие, через которое через объём ведёрка был выведен тонкий шланг, нужный для измерения давления на внешней поверхности диска.
Давление измерялось по высоте водяного столба, вытесняемого или всасываемого при погружение конца шланга в стеклянную банку с водой.
Для «смерча» в поворотной зоне струй по центру диска было получено избыточное давление около 100мм.вод.стоба = 1кПа.
Приблизительно такое же давление дало измерение скоростного напора струи воздух при выходе из кольцевого зазора воздухораспределителя.
Геометрия струй в столбе "смерча"
Движение струй в воздухораспределителе в режиме «смерч» показано на схеме (см.рис.12-13)
Рис. 12. Формирование дымового столба «смерча» при прямом радиальном входе трубы в распределитель воздуха.
Рис.13. Столик с опорой из гнутых труб, форма которых почти идеально иллюстрирует форму воздушных потоков в имитации «смерча» в зоне «пятки».
Визуализация «циклона»
Если в ведёрко воздух подавать по касательной вдоль стенки, то получается воздушный аналог вихревой форсунки для жидкого ракетного топлива, которая создаёт интенсивный разлёт распыляемой среды в радиальном направление (см.рис.14.)
Рис.14. Два варианта исполнения вихревой распыляющей форсунки для жидкого топлива: а- закручивание происходит в цилиндрическом объёме (2) при подаче струи топлива по касательной к внешнему цилиндру форсунки через отверстие (1); б- закручивание потока производится в спиральных проточках(3).
Направленная по касательной к стенке струя воздуха продолжает двигаться по кругу вдоль стенки банки, создавая момент вращения всей массы воздуха, проходящей через банку к выходному кольцевому зазору.
При входе в кольцевой зазор распределителя такое круговое вращение потока не останавливалось, что приводило к сохранению тангенциальной скорости у потока воздуха и после выхода из кольцевого зазора наружу.
В итоге на выходе из дискового распределителя у воздушных струй имеется не только радиальный вектор скорости, полученный от избыточного давления в банке, но и очень высокая тангенциальная составляющая скорости от созданного в банке кругового вращения.
Именно тангенциальная составляющая общей скорости струй воздуха заставляет потоки воздуха разлетаться в сторону от центра диска.(см.рис.15.)
Рис.15. Формирование дымового конуса «циклона» с возникновением «глаза циклона» смерча» при косом тангенциальным входе трубы в распределитель воздуха.
Таким образом, в эксперименте был получен похожий на «циклон» конический расходящийся поток, снабжённый «глазом» нейтрального пространства по центру.
Наличие «глаза циклона» определяется как по ощущениям пальцами, так и инструментальным замером давления с помощью импульсной трубки от центра диска.
Давление в центре «глаза циклона» падало до атмосферного, при том что в центре «пятки смерча» давление было сильно избыточным: плюс 1 кПа (100мм вод.ст).
Также трубкой Пито замерялся скоростной напор потока на выходе из кольцевого распределителя, который составил около 1кПа, то есть практически равен скоростному напору прямого незакрученного «ветра» из щелевого зазора воздухораспределителя.
Ниже представлены фото дымовых конических вихрей «циклонов» (см.рис.16-18.)
Рис.16. Дымовой конус «циклона». Дым над банкой почти не клубится из-за высокой скорости потока на полной мощности пылесоса.
Рис.17. Дымовой конус «циклона». Дым над банкой почти не клубится из-за высокой скорости потока на полной мощности пылесоса.
Рис.18. Дымовой конус «циклона». Дым над банкой плотнее и заметно клубится из-за уменьшенной скорости потока на пониженном расходе пылесоса (придушен расход на всасывание пылесоса).
Геометрия струй в конусе "циклона"
Геометрически форма потоков «циклона» является набор прямых, расположенных по кругу под некоторым одинаковым углом к образующему кругу в основании.
Такая фигура в геометрии называется «гиперболоид вращения» (см.рис.19-21.)
Рис.19. Справка по запросу «гиперболоид вращения» в Яндексе.
Рис.20. Стержневые конструкции в форме гиперболоидов вращения. Левая односторонне закрученая конструкция предельно точно показывает форму потоков «циклона» на выходе из кольцевого воздухораспределителя в данном эксперименте.
Рис.21. Опора стола в виде стержневого гиперболойда вращения с однонаправленными прямыми стержнями.
Применение "гиперболойдов вращения" в архитектуре и технике
В форме «гиперболоида вращения» выполнены многие инженерные сооружения башенного типа, например Шуховская башня в Москве и многие другие. (см.рис.22-24.)
Рис.22. Радио-трансляционная «Шуховская башня» в форме гиперболоида вращения в Москве на ул.Шабловка.
Рис.23. Опора водонапорной башни в виде стержневого гиперболоида вращения. Все стержни в конструкции – это прямые трубы. Искривлённость стержней в гиперболоиде- это оптическая иллюзия.
Рис.24. Опора стола в виде стержневого гиперболоида вращения с двумя наборами стержней встречного направления.
Визуализация сечений вихревых потоков
Следующим этапом эксперимента стала визуализация поперечной структуры дымовых вихрей, картина которых получаются при сечении дыма плоским лучом от строительного лазерного «уровня» (см рис.25.)
Рис.25. Вид ручного лазерного уровня, применённого для визуализации структуры поперечного сечения дымовых вихрей.
Данный дешёвый ручной уровень оказался с достаточно слабым лучом, а плоскость создавалась дроблением луча на каком- то рассекателе, что давало ряд точек вместо сплошной световой линии на большом удалении.
Тем не менее на коротком расстоянии от источника лучей якости лучей и их частоты в дробном «веере» вполне хватило для получения вполне заметного светового изображения в сечениях туманных вихрей.
К сожалению никакой ярко заметной внутренней структуры у корней вихрей выявить не удалось, так как все внутренние объёмы вихрей в застойных зонах «пятки смерча» или «глаза циклона» оказывались задымлёнными воздухом с практически той же концентрацией дыма, что и основная струя.
Заключение
Данный эксперимент вполне наглядно продемонстрировал правдоподобность ранее высказанных мной моделей работы как для достаточно небольшого атмосферного явления - «смерча», так и для куда более крупного атмосферного вихревого образования - «циклона».
Так эксперимент показал, что переход от режима «смерча» к режиму «циклону» произошёл в установке лишь при изменении одного параметра, а именно угла входа струи в объём камеры статического давления цилиндрической формы перед распределителем воздуха.
При этом угол входа струи в цилиндрический объём камеры отвечает за интенсивность вращения потока на выходе из щелевого зазора.
Возникновение воздушного столба «смерча» без сильного закручивания потока подтвердило малую значимость составляющей вращения «смерча» вокруг оси, по сравнению с влиянием сходящихся к общему центру приземных потоков воздуха.
Также интенсивное закручивание потока перед щелевым распределителем позволило создать характерный «глаз циклон» с практически штилевым режимом, что является весьма значимым структурным элементом «циклона» как вихревого атмосферного явления.
