Это оригинальная статья исследователя технологий торнадо, который пока пожелал остаться неизвестным,

 но которую я с удовольствием публикую на этой странице

(с любезного согласия автора).

Судя по информации, прочитанной мной в интернете, центральное звено в идеях Виктора Шаубергера, понимание которого в итоге и дало ему возможность спроектировать устройства на новых принципах, заключалось в том, что «естественное» движение жидкости имеет преимущество перед движением искусственным, которое сейчас используется для нужд человечества. В природе движение жидкости, как правило, турбулентное. Может быть, Шаубергер имел в виду именно использование энергии турбулентности. Способы утилизации этой хаотической энергии существуют и многие из них реализуются в природе. Но в технике эти идеи пока не нашли своего приложения, из-за относительной малоисследованности. Здесь я хотел бы описать такие механизмы утилизации, и их отражение в естественных процессах, и в идеях Шаубергера. Все нижеописанное, хотя и перекликается с идеями официальной гидродинамики, все же является, по большей части, моими собственными домыслами, обобщающими опыт работы в этой области.

Поговорим о турбулентных течениях. Главная их особенность заключается в высоком уровне хаоса в потоке. Всю энергию жидкости можно разделить на две составляющие: упорядоченную (энергию среднего потока) и хаотическую (энергию турбулентных пульсаций). Пульсации, по сути, - это разномасштабные вихри, появляющееся вследствие развития неустойчивостей, такие, что среднее от их воздействия по времени дает ноль. Мгновенную скорость в точке можно представить как сумму U_средн.+u_пульс. Энергия пульсаций сродни энергии броуновского движения, поэтому сложно превратить ее в работу, она всегда норовит сама себя скомпенсировать. Современные гидростанции утилизируют только энергию средней скорости, оставляя энергию пульсаций переходить в тепло или уноситься с потоком. Чем больше степень турбулентности течения, тем большая доля всей его энергии приходится на пульсационную компоненту. О том, что Шаубергер имел ввиду как раз способ утилизации этой энергии, говорит например тот факт, что многократно упоминаемая им форель, для того чтобы держаться в бурлящем потоке использует именно энергию пульсаций. Также и многие птицы, например альбатрос, используют эту энергию в своих целях. Значит в природе есть механизмы, которые можно приспособить для возвращения этой хаотической энергии.

Есть подход к изучению турбулентных течений, через привлечение гипотезы о статистической однородности турбулентности в широком диапазоне масштабов - так называемый каскадный подход. Поток представляется как сумма воздействий пульсаций различного масштаба (грубо говоря, крупных и мелких вихрей), доля пульсаций определенного масштаба является для данного подхода объектом поиска. Механизмы обмена энергией между масштабами подчиняются в рассматриваемом случае универсальным законам, явно выводящимся из условий однородности и изотропности пульсаций. Используя эти закономерности можно свести всю сложную задачу к простой, описывающей среднее течение в спектральном либо физическом пространстве. По сути, таким образом избавляются от всего множества степеней свободы, которое возникает из-за взаимодействий одиночных вихрей. Это упрощение возможно сделать из-за того, что воздействия различных вихрей взаимокомпенсируются, оказывая влияние лишь на осредненные характеристики потока. С помощью различных математических трюков можно найти уравнения, описывающие эти средние характеристики, не привлекая в явном виде гипотез о характере взаимодействия одиночных вихрей. Применение такого подхода приводит к тому, что обмен энергией между вихрями различного масштаба представляется в виде каскада: на определенном масштабе энергия поступает в течение, а затем передается от масштаба к масштабу в одном направлении, пока так или иначе не рассеивается в тепло. Как правило, величина потока энергии оказывается универсальной и независящей от масштаба для большинства течений с высокой степенью турбулентности. В более сложных случаях имеются два или более каскадов, но различные каскады при этом почти всегда разнесены в фазовом, либо в физическом пространстве, так что их можно рассматривать независимо. Оказывается, что определяющим условием, от которого зависит направление потока энергии по масштабам (от крупных вихрей к мелким, либо от мелких - к крупным), является размерность задачи.

Наиболее успешная попытка построения теории каскадного переноса энергии турбулентности была предпринята Колмогоровым (1941) для трехмерной турбулентности больших чисел Рейнольдса. Основным допущением Колмогорова было то, что взаимодействующие друг с другом вихревые трубки расположены под случайными углами (выполнение этого условия обеспечивается за счет того, что даже небольшое отличие в положениях трубок через очень короткое время становится значительным, трубка как бы "забывает" свое первоначальное состояние). Это приводит к тому, что при большинстве актов взаимодействия трубки растягивают друг друга (как бы наматываются друг на друга) при этом, вследствие сохранения углового момента, происходит их утоньшение, дробление, и переход энергии на более мелкие масштабы. Цикл повторяется, до тех пор, пока вихри не оказываются такими мелкими, что подавляются вязкостью. Поступает же энергия в поток от среднего крупномасштабного напряжения сдвига вследствие развития неустойчивостей (как правило, типа Релея-Тейлора или Кельвина-Гельмгольца). При этом, за из-за стохастичного характера взаимодействия вихрей, энергетический спектр турбулентных пульсаций приобретает большое количество мод, становясь непрерывным, и имеет характерный вид: E(k)~k^-5/3.

Рис. 1. Энергетический спектр изотропной трехмерной турбулентности.

Данный процесс был назван прямым каскадом турбулентности. В экспериментах с атмосферной турбулентностью был измерен реальный энергетический спектр пульсаций, и оказалось, что он имеет участок, точно соответствующий предсказанному Колмогоровым, таким образом, теория получила подтверждение. После этого во многих течениях данный каскад был обнаружен (не только через вычисление спектров), что сделало эту теорию очень популярной. Этот процесс считается в той или иной степени характерным для всех трехмерных течений с достаточно большим числом Рейнольдса.

После Колмогорова Крайчнан (1967) заметил, что если вместо трехмерного течения рассматривать двумерное, то картина переноса энергии претерпевает драматическое изменение. Дело в том, что в двумерном случае отсутствует механизм растяжения вихревых трубок - все трубки параллельны. Это приводит к тому, что поток энергии оказывается инверсным, то есть мелкие вихри начинают отдавать энергию крупным, усиливая их. Значит, в потоке крупные уединенные вихри будут расти, а степень хаотичности потока - падать (но не ниже какого-то уровня, он предполагается поддерживаемым через инжектирование энергии в поток извне на мелких масштабах). Уводится же энергия за счет трения крупных вихрей о стенки. Данный инверсный каскад тоже обладает строго определенным видом спектра: E(k)~k^-3. Получить его в эксперименте удалось далеко не сразу в связи с трудностью организации двумерного течения, однако в численных расчетах уравнений Навье-Стокса данная гипотеза получила скорое подтверждение.

Рис. 2. Энергетический спектр изотропной двумерной турбулентности.

Поскольку именно этот процесс представляет интерес с практической точки зрения и имеет достаточно простое наглядное представление, остановимся на этом подробнее. Итак, как "работает" инверсный энергетический каскад:

Пусть дан крупный вихрь. В поле скорости, индуцируемое им, поместим несколько маленьких вихрей (рис3, слева). Рассмотрим что при этом будет происходить с маленьким вихрем.

Рис. 3.

Как мы знаем, завихренность является вмороженной в жидкость, поэтому маленький вихрь будет двигаться вдоль линий тока, наведенных большим вихрем (рис.4,а). Перейдем в систему отсчета, двигающуюся с маленьким вихрем. Поле скорости слева и справа от вихря станет при этом приблизительно симметричным (рис.4, б). Применив закон Бернулли увидим что со стороны окружающей жидкости на вихрь будут действовать силы, сжимающие его в поперечном направлении. Из-за сохранения момента, вихрь при этом растянется в противоположном направлении (рис.4, в).

Рис.4.

Рассмотрим теперь, как изменится поле скорости растянутого вихря. Возьмем предельный случай, когда вихрь представляет собой отрезок прямой. Каждую точку прямой можно заменить точечным вихрем. Чтобы вычислить самоиндуцированное поле скорости вихря нужно сложить поля всех точек, в него входящих. Поскольку скорость величина векторная, то теперь, в определенных областях, скорости индуцируемые верхней и нижней частью вихря будут частично компенсироваться, в других областях скорости будут складываться, усиливая друг друга (рис2, г, показаны скорости индуцируемые началом и концом отрезка). В результате, поле скорости станет неоднородным: концы имеют наибольшую скорость, середина же не движется. Так что, вихрь будет поворачиваться по часовой стрелке, при этом его передняя часть войдет в область больших скоростей, и ускорится по отношению к задней части. Большой вихрь будет накручивать на себя маленькие, по типу снежного кома усиливая вращение и увеличивая масштаб (рис. 3 справа, рис. 4д). Сравните это с видом облака перед образованием торнадо, или с видом циклона из космоса, похоже не правда ли?

Рис.5. Численный расчет взаимодействия вихрей в двумерном случае.

Как говорилось выше, инверсный поток энергии по масштабам обусловлен отсутствием механизма растяжения вихревых трубок. Данный эффект может наблюдаться также в трехмерных течениях с анизотропией, вызванной стратификацией или вращением. В этом случае эффект подавления турбулентных пульсаций в направлении центробежной силы или сил плавучести при устойчивой стратификации делает турбулентность «квази-двумерной». В таких течениях наблюдаются «квази-двумерные» вихревые структуры, увеличивающие свои размеры за счет отнятия энергии у мелких фоновых пульсаций.

Красивым примером действия инверсного энергетического каскада является турбулентное вихревое кольцо. (рис. 6). Несмотря на большие числа Рейнольдца, в его центре всегда есть ядро, где течение по сути ламинарно. Кольцо имеет также турбулентную атмосферу, насыщенную пульсациями различных масштабов.

Рис.6. Ламинарное (а), и турбулентное (б) вихревые кольца.

Рис.7. Турбулентные вихревые кольца.

На следующем рисунке представлена съемка образования и взаимодействия вихревых диполей, фактических прототипов вихревых колец. В объем через тонкое сопло инжектируется жидкость, и видно что на начальном этапе она представляет собой просто хаотическое облако, но затем происходит одновременное действие двух каскадов- прямого и обратного, при этом вихри, направления которых не согласованны распадаются и их энергия диссипируется в тепло, а сонаправленные - напротив взаимодействуя усиливают друг друга, формируя устойчивую структуру.

Рис.8. Образование и взаимодействие вихревых диполей.

Турбулентные вихревые кольца распространены в природе, и могут образовываться практически из любого турбулентного сгустка, если в нем есть преобладание одного направления вращения. Например, атмосферные конвективные течения- термики часто приобретают форму турбулентных вихревых колец, перенося свою энергию без значительной диссипации на большие расстояния. Более того, существует принципиальная возможность, что при движении в турбулентной атмосфере кольцо будет извлекать энергию для своего существования из окружающего пространства.

Вот эта иллюстрация из альбома течений Ван-Дайка мне напомнила многие изображения Виктора Шаубергера. Показательно, что данное течение тоже является примером инверсного потока энергии турбулентности и возникает только при значительных числах Рейнольдса.

Рис. 9.

Циклоны в атмосфере, судя по внешнему виду, а также по измеренному спектру пульсаций (рис.10) представляют собой пример действия инверсного каскада турбулентности. Характерный излом на графике приходится как раз на масштабы, для которых толщина атмосферы становится малой величиной, и течение в сущности становится двумерным. На более мелких масштабах наклон спектра соответствует прямому каскаду трехмерной турбулентности.

Рис. 10. Двойной энергетический каскад в атмосфере.

Мне кажется также, что аналогичные процессы участвуют и в образовании более мелкомасштабных вихрей -торнадо. Попробую изложить свое видение этого процесса.
Как известно, вследствие адиабатического расширения воздуха и конвекции в атмосфере имеется градиент температуры по высоте. Температура обычно спадает с высотой до высоты порядка 1.5 километров (рис. 11), потом температура начинает подниматься с высотой - это так называемая инверсия температурного градиента. На границе этой инверсии силы плавучести будут возвращать объем жидкости, перешедший вследствие флуктуации на другую высоту, назад. Таким образом, вертикальная компонента пульсаций будет подавляться - то, что нужно для двумерной турбулентности, и инверсного потока энергии.

Рис. 11. Схематичное изображение атмосферного пограничного слоя.

Но, для существования инверсии нужна устойчивая стратификация атмосферы, а для торнадо, напротив, нужна конвективная неустойчивость. Однако, оказывается что слой облаков может выполнять ту же роль, что и инверсия температурного градиента. Это происходит вследствие выделения тепла при конденсации в облаках, таким образом, в них наблюдается повышенная температура.

Значит вот мы и нашли те условия, при которых возможно развитие инверсного энергетического каскада и накопления энергии мелких пульсаций в виде крупных вихрей. На данных высотах влияние сил Кориолиса еще не велико, из-за трения, однако чтобы торнадо образовался нужно сообщить ему начальный угловой момент, для обеспечения доминирования одной компоненты вращения над противоположной. Мне кажется, это может достигаться за счет перемещения (например, из-за крупномасштабной флуктуации) вниз завихренного силой Кориолиса воздуха из внешних слоев атмосферы. Таким образом, в узком слое под облаками мы имеем условия для существования двумерной турбулентности и инверсного каскада энергии турбулентности. Если такие условия реализуются и облачный слой достаточно насыщен турбулентными пульсациями, появившимися там за счет конвекции, то мелкие вихри начнут отдавать энергию одному растущему крупному вихрю (рис.12, 13).

Рис.12.

Рис. 13. (2D-Вихрь перед образованием торнадо.)

Как только этот центральный (пока еще плоский) вихрь в облачном слое достигает достаточной силы, начинается процесс образования воронки. Это происходит следующим образом: в центре вихря образуется минимум давления из-за центробежной силы, куда устремляются снизу конвективно поднятый нагретый воздух, а сверху холодный атмосферный воздух, когда они встречаются происходит разделение слоев по типу такого как происходит в трубке Ранка, холодный, тяжелый воздух собирается в центре вихря, где дополнительно охлаждается из-за расширения, теплый воздух собирается на периферии. (рис. 14).

Рис. 14.

Итак, после сепарации, вследствие отрицательной плавучести, более холодный атмосферный воздух проваливается вниз, формируя воронку торнадо. При этом вследствие растягивания вихря и сохранения углового момента скорость вращения вихря возрастает (рис. 15). Здесь еще упомяну о роли влажности. Если падение давления в центре вихря с избытком компенсирует уменьшение температуры, то в центре вихря начнется испарение, а значит охлаждение и расширение. Это расширение работает на дальнейшее удлинение воронки, и соответственно, увеличивает угловую скорость ее вращения.

Рис. 15

В итоге, это локальное понижение атмосферного воздуха достигает земли. Таким образом, в центре торнадо воздух движется по нисходящей траектории, на периферии - по восходящей (рис. 16). Холодный и теплый потоки частично замыкаются.

Рис. 16

Не знаю, будут ли вращаться внешний и внутренний слои вихря в одну сторону или в разные, однако совершенно точно, что скорость вращения наружнего слоя на порядки ниже внутреннего.

Для существования торнадо, на мой взгляд, необходима сумма факторов: ровный облачный слой, высокий уровень атмосферной турбулентности (это источник энергии для торнадо), затем нисходящий атмосферный поток, переносящий большое количество вращения, полученного за счет кориолисовых сил (это возможно только на определенных широтах). Также необходима высокая конвекция от почвы, а значит высокий уровень солнечного излучения (опять же, в некотором роде, ограничение на широты).

Теперь попытаюсь дать объяснение появлению крупных вихрей при ясной погоде, так называемых "пылевых дьяволов".

Они стабильно появляются в местах где выполняются два условия: ровная поверхность и сильно нагретая солнцем почва. Ровная поверхность дает стабильные горизонтальные потоки воздуха на больших площадях, такие течения в пограничном слое приводят к формированию неустойчивости Кельвина-Гельмгольца (завихренность локализуется в жгуты, перпендикулярные нормали к поверхности и направлению ветра, рис 17). Когда жгут сформировался в дело вступает температурная конвекция, толкая его в верх неравномерно, так что он приобретает форму буквы «п», ускоряющие его силы ветра сообщают ему энергию, растягивание в вертикальном направлении увеличивает скорость вращения. Формирование вихря заканчивается, когда его ось становится параллельной нормали ( наподобие микроторнадо, вырывающегося из турбины самолета, и втыкающегося в землю, процесс, мне кажется, аналогичный тому, как волчок становится на ножку, чтобы уменьшить силу трения, рис. 18).

Рис.17

Рис.18

На следующей картинке (Рис 19) Шаубергера явно написано о том что, мелкие вихри, объединяясь, преобразуются в крупный вихрь . Мне кажется, это говорит как раз о механизмах типа описанных выше.

Рис. 19.

Роль закручивания в дамбе-турбине Шаубергера заключается как раз в том, чтобы включить в механическую энергию, которую предполагается преобразовать в электричество, помимо средней еще и пульсационную компоненту скорости (рис. 20).

Рис. 20.

Наконец, в идее форели-субмарины (рис. 21) мне тоже видится использование энергии турбулентности. Что нужно, чтобы получить инверсный каскад в приповерхностном слое твёрдого тела? Двухмерность там есть - она обеспечивается за счет стенки, но вот незадача, вся энергия уходит на трение об эту самую стенку. Как решить эту проблему? Конечно использовав колесо. Нужно заставить вихрь катиться по поверхности стенки, тогда трение будет минимальным, а захват энергии из окружающей жидкости -максимальным. В своей субмарине Шаубергер предлагает именно это. На рисунке видно, что вихри предварительно сформированные катятся по поверхности корпуса. Здесь применение такого похода позволяет уменьшить потери на сопротивление, так как отсутствует турбулентная диффузия от стенок корпуса, даже напротив, энергия пульсаций окружающей субмарину жидкости будет поглощаться катящимися по корпусу вихрями, придавая им дополнительное ускорение, ну а плавное уменьшение радиуса спирали должно обеспечить максимальную реактивную силу.

Рис. 21.

 © 2015 

 Freely  quoted  with reference  to the website of the author

 Свободноцитируемый, со ссылкой на веб-сайт автора