Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Фотографический автопортрет

Имея впереди долговременную цель - разработку методики расчета процессов смесеобразования в камере двигателя, - я стал искать эксперимент, который мог бы подтвердить достоверность полученных формул испарения капли.

Мои опыты по улавливанию и измерению спектров жидких частиц некоторые коллеги называли ловлей блох; теперь же предстояло "поймать" величину, гораздо меньшую самой капли. Если капля диаметром 0,2 миллиметра потеряла за счет испарения во время полета половину своей массы, то уменьшение диаметра оказывается, как легко вычислить, совсем небольшим: на 0,06 миллиметра.

...

Причиной моего опоздания была затянувшаяся попытка решить или хотя бы продвинуть теоретически проблему спектра капель. Однако трудности явно превышали возможности автора, впрочем, как и других исследователей, ломавших голову над этой задачей.

Мы обсудили схему опыта с моим напарником и решили, что естественней всего применить скоростную фотографию. Прибор для формирования однородных капель надежно работал, а искровая осветительная установка с экспозицией около 10-6 секунды должна была помочь нам "остановить" летящую каплю. Поскольку фотографировать одну и ту же частицу в разных точках пути было чрезвычайно сложно, мы собирались снимать капли из однородной серии в начальном неиспаренном состоянии и после испарения, в сечении на выходе установки. Эксперимент представлялся новым и многообещающим. Но на первых же шагах возникла трудность, буквально загнавшая нас в тупик.

Съемка с увеличением (правда, с не очень большим) нуждалась в тщательной фокусировке аппаратуры в точке ожидаемого появления капли, и требовалось точное знание ее координат. Вспоминаю один из серии наших безрадостных разговоров.

- Ты, кажется, втравил меня в безнадежное дело, - сказал мой обычно спокойный до флегматичности напарник, который теперь все более проникался тревогой и раздражением.

- Ведь при микросъемке очень мала глубина резкости - помнишь фотографирование факела распыливания? Малейшее отклонение капли от плоскости фокусировки - и фотография получится размытой, не пригодной для обмеров.

- Да, кажется, капля не собирается нам позировать. Понимаешь, я надеялся за счет высокого качества аэродинамики нашей установки уменьшить турбулентность потока... Не получилось: случайные пульсации "таскают" капли в слишком широкой зоне разброса. В струйке каплеобразователя капель маловато, вероятность попадания в фокус ничтожна.

Перед нами лежал улавливающий экран с удручающе широкой зоной рассеивания капельных следов.

- Может, сделать батарею многих капельниц? Вероятность возрастает.

- Нет, не удастся настроить все на строго одинаковый размер капли.

- А если сделать сечение струи воздуха поменьше, ну миллиметров пять - десять? Пределы колебаний частиц сузятся.

- Не выйдет: для заметного испарения капли нужен путь не менее полуметра - твоя струйка размоется, возмущения лишь возрастут.

Наступила пауза, каждый размышлял про себя. После раздумья мы почти одновременно пришли к одному выводу: капля должна сама себя фотографировать, включать вспышку электроискры в нужный момент.. Иного пути нет. Но как это сделать?

- Если взять небольшой осветитель, - начал я с неясной надеждой, - пустить из вертикальной щели световую плоскость через поток с каплями и прямо на фотоэлемент...

- На эту световую плоскость навести фотоаппарат, совместить с ней плоскость фокусировки, - подхватил мой коллега. - Такой свет - ничто сравнительно с искровой вспышкой, он нам не помешает...

- Так-так... капля ведь где-то пересечет световой барьер... если бы... фотоэлемент почувствовал и сработал...

Надежда постепенно увядала.

- То-то и оно... твоими устами да мед пить. Тут не турникет метро, где загораживается весь луч фотоэлемента. Здесь перекрытие мизерное, фотоэлемент "и ухом не поведет".

Открывшаяся было дверка вела в никуда. Мы снова и надолго загрустили. Бесплодные поиски утомляли, и я отключился, тупо глядя на стеклянную мензурку. Косой осенний луч ложился на рабочий стол, преломляясь в стеклянной мензурке с цветами, поставленными лаборанткой. Бледный зайчик падал на пол далеко в затененный угол комнаты. Мне казалось, что мы бродим где-то рядом с истиной, не хватало одного последнего шага. Почти бессознательно пробормотал я блоковскую стихотворную строчку: "В косых лучах вечерней пыли я знаю, ты придешь опять..." И вдруг в самом деле пришла "Она" - идея. Словно лучик высветил недостающий фрагмент решения - косой луч! Идея!

Мой коллега, не склонный к лирике, зато привычный к моему бормотанию стихов и возгласам "Идея!", реагировал лишь вялой гримасой.

- Гляди... - я в несколько штрихов набросал законченную схему всего узла фотоустановки. Забавно было наблюдать, как на скептичной физиономии моего коллеги вдруг ожили и задвигались от улыбки полушария щек.

- Видишь?.. Ось вспомогательного осветителя наклоним градусов на 45 и пересечем воздушный поток с каплями не поперечной, а косой световой плоскостью - к черту стереотип перпендикуляров и параллелей, он и сковывал нас. С косой плоскостью совместим плоскость фокусировки фотоаппарата... Свет теперь пойдет мимо фотоэлемента... И бог с ним. Опыт, конечно, ведем в затемненном помещении, при открытом фотообъективе, который пока ничего не снимает. Капля, проходя световой барьер, бросит преломленный (или отраженный) луч куда-то вкось - там и подставим объектив фотоэлемента ... угол найдем эмпирически. Лучик будет слабый - ничтожной яркости, но фотоэлемент, глядящий в абсолютную темноту, ощутит контраст. Дальнейшее понятно: фототок включит искровой осветитель, и, когда капля попадет в плоскость наведения, она снимет сама себя в наилучшем виде.

- Да, вроде мы ее поймали, - с облегчением сказал мой коллега, - надо только учесть время запаздывания: пока сработает импульс в установке и загорится искра, капля уйдет из плоскости наводки. Учтем это, чуть сдвинув фотоплоскость назад от светового барьера.

Так сказать, подберем интервал. Скорость движения капли известна.

- Ясно: "стреляем" искровой вспышкой с упреждением, как по летящей утке.

Хорошо и споро работается при свете четкой и обнадеживающей идеи. Снабженцы дрогнули под нашим соединенным натиском и раздобыли в конце концов дефицитную мелкозернистую фотопленку. В то время уровень всякого рода официальных бумаг, который грозит покрыть с головой теперешнего работника НИИ, был значительно ниже, хотя, конечно, меньше был и масштаб работ. Эскизы деталей экспериментальной установки шли прямо с наших столов к токарю и фрезеровщику с минимумом начальственных виз. Кое-что нашли прямо на бездонной институтской свалке, богатой находками, как Клондайк.

Для проверки принципа собрали в темном закутке времянку, модель основного узла: капельница, фотоэлемент, небольшой осветитель и осциллограф. Все действовало безотказно. Вскоре была смонтирована и экспериментальная установка. Небольшой компрессор гнал поток воздуха через подогреватель, поднимавший его температуру до 600 - 800 °С, и через длинную цилиндрическую камеру. В ее начальном сечении стояла капельница - пришлось разработать особый вариант с теплозащитой. Вереница одинаковых капель сдувалась с тонкой иглы капилляра специально дозированной струйкой воздуха вдоль оси потока, размер капель был заранее известен. Во втором сечении, на выходе из трубы, фотографировалась уже "похудевшая", частично испарившаяся капля: она летела, почти полностью увлеченная потоком, сохраняя правильную сферическую форму.

Расстояние между сечениями можно было менять. Эксперимент оказался сложным и тонким. Мы начинали опыт с пристрелки каплей в зону фотографирования еще в холодном газе. Это требовало снайперской точности. Медленно перемещая капельницу и ось фотоэлемента, мы ловили в объектив преломленные каплей лучики света, добиваясь появления импульсов фототока на катодном осциллографе, подключенном к фотоэлементу. Сердце радовалось, когда капли сигналили бегущими световыми зубцами на опаловом круге экрана: "Мы здесь, пролетаем в допустимом интервале разброса". Тогда открывался объектив фотоаппарата, и на снимке фиксировался начальный размер капли, поскольку до начала подогрева испарение практически отсутствовало. Потом включали подогреватель и устанавливали режим течения по температуре и скорости. Теперь начиналась трехкратная серия фотографий испаряющейся капли. Резким бичом щелкал электроразряд осветителя, отзываясь в сознании непроизвольно родившимся рефреном: "Три капли, три капли, три капли!"

Но если тайну трех карт бедному Германну суждено было узнать лишь после смерти графини, то тайна трех капель оказалась сразу в наших руках: снимки получились отличные. Капли фотографировали себя сами!

В конце опыта мы провели контрольную съемку снова в холодном потоке, чтобы убедиться: капельница не сбилась и выдает те же капли. Нас охватил азарт, мы часами и днями не отходили от стенда, забегая лишь в фотолабораторию. Иногда вся серия фотографий летела в корзину: обнаруживалось, что из-за каких-то помех сбивалась капельница. Часто, особенно в дождливые дни, установка срабатывала от посторонних капель влаги, которые содержались в воздухе и непрошенно совались в кадр.

Наконец изнурительные эксперименты завершились. Сопоставляя диаметры холодной и испаренной капли с учетом возможных ошибок опыта, мы нашли вожделенные закономерности испарения капель различных размеров при разных скоростях полета.

...

Переходя от одиночной капли к их рою в факеле, нарисуем общую картину событий, развивающихся на "холодном" участке прямоточной воздушной камеры сгорания. Там обитают жидкие частицы, и протекают процессы смесеобразования. Увеличим все в пространстве и замедлим во времени. Сядем на каплю, подобно доблестному барону Мюнхгаузену, оседлавшему пушечное ядро, - нам не привыкать к мысленным экспериментам - и пропутешествуем вдоль камеры, наблюдая за Происходящим. Наш полет начнется вместе с плотным oоблаком капель, которое вырвется под давлением 50 - 60 атмосфер из небольшого (один - два миллиметра); сопла форсунки, обгоняя поток окружающего воздуха. Мир капель возникнет внезапно и стремительно, напоминая в миниатюре Вселенную, разлетающуюся в грандиозном взрыве первовещества, заключенного, по образному выражению академика Я. Б. Зельдовича, в "ореховую скорлупу". Примерно так представляют себе начало мира современные астрофизики.

Двигаясь с каплей, мы увидим, как в хаосе факела распыливания воздушный поток начинает наводить порядок, командуя: "Каплям перестроиться по росту". От оси факела форсунки во все стороны начнет расходиться "метелка" траекторий - по каждой пойдут частицы своего размера. Под нами летят, постепенно отставая, капли меньших размеров (в начальный момент все частицы имели одну общую скорость), над нами, обгоняя, - большие капли. По законам механики более массивные частицы в потоке дальнобойней и медленнее тормозятся. Происходит явление сепарации частиц по диаметрам. (В свое время была сделана попытка использовать этот эффект как один из методов измерения величины капель.).

Турбулентный хаос силится спутать ровный строй, но его пульсации захватывают лишь самую мелочь, которая носится повсюду. Несущая нас капля начнет нагреваться от тепла окружающего потока и деформироваться, приближаясь по форме к диску-пуговке с оттянутой кормой. Деформация максимальна на начальном участке, где относительная скорость (геометрическая разность скоростей капли и потока) наибольшая. У нас до дробления дело не дойдет, возможно, распадутся лишь наиболее крупные капли спектра где-то на периферии факела. Но деформация скажется на нашем движении: возрастет коэффициент сопротивления, и ускорится торможение капли. Через очень небольшое время ее скорость сравняется со скоростью движения окружающего газа, и капля снова стянется в слегка пульсирующий шарик. Мы все время будем чувствовать легкие хаотические толчки - воздействие турбулентности - и, обернувшись, обнаружим, что вереница капель одинакового размера идет за нами не строго "в затылок", а слегка колеблется относительно стационарной траектории.

Соударения капель сравнительно редки, и в нас будут попадать лишь мельчайшие капельки, поглощаемые нашей каплей при соударении. Наша капля все время испаряется - шлейф пара сдувается назад по линиям тока газа. Струйки пара быстро рассеиваются, смешива-

ясь с воздухом и образуя горючую топливовоздушную смесь. Чем капли меньше, тем быстрее они испаряются, пар лучше смешивается с воздухом, смесь будет более однородной по коэффициенту избытка воздуха, то есть лучше подготовлена к горению. Медианная капля в 100 микрометров обычно испаряется на интервале пути в 400 -500 микрометров, а на чуть большем пути испаряются почти все капли, образующие факел распыливания. Остаются недоиспаренными самые крупные капли периферийных траекторий. Мы видим, что короткая жизнь капли действительно насыщена многообразными событиями, взятыми на карандаш исследователями, сумевшими описать всю картину явлений математическим языком.

Математические формулы описали все звенья рабочего процесса: спектр распыливания, кинематику капли, закон ее испарения, распределение жидкой и паровой фаз в потоке и т. д. Они легли исходными кирпичиками в общее здание методики расчета смесеобразования в камерах реактивных двигателей и других технических устройств.

Дальше начинается особый мир горения - сложное "солнечное сплетение" аэромеханических и физико-химических процессов. Не вдаваясь в детали, обрисуем лишь одну из более вероятных, на взгляд автора, схему микродиффузионного горения (среди ученых существуют различные точки зрения на механизм процесса). Вспомним прямоточную цилиндрическую камеру со стабилизатором пламени - о нем речь шла в первой главе. Горение начинается от точки поджигания на кромке стабилизатора и представляется наблюдателю стационарной, слегка колышащейся, наклонной границей, отделяющей поток топливовоздушной смеси от зоны пламени. Но внутренняя структура фронта многосложна и подвижна. В сравнительно узком фронтальном слое области горения царит механизм соударений и смешений злементов-молей. Вот столкнулись два таких объемчика - моль холодной топливной смеси и моль горячих продуктов сгорания (здесь местная температура полторы - две тысячи градусов). "Пламенное рандеву"! Результат - воспламенение, рождение элемента фронта горения в граничном слое на поверхности встречи. Процесс идет быстро, но ступенчато. Турбулентные пульсации (турбулентная диффузия) сталкивают моли - процесс грубого макросмешения; молекулярные пульсации (известная нам молекулярная диффузия) прогревают и смешивают газы вдоль границы соударения - процесс тонкого микросмешения: конечный итог и начало химической реакции. Из таких причудливо витых отрезков состоит весь турбулентный фронт пламени. В нем турбулентная и молекулярная диффузия, перемешивая все и вся, гонят фронт огня внутрь вещества: тепло и материя передаются турбулентностью по лесенке все более мелких масштабов. Завершение эстафеты, как мы видели, осуществляется молекулами там, где идет реакция окисления.

Топливовоздушная смесь не сгорает во фронте пламени полностью. Зона догорания, где газы нагреваются до высоких температур и увеличивают скорость, простирается далеко за пределами фронта. Отдельные, не-доиспарившиеся капли из "хвоста" спектра распылива-ния пронизывают фронт пламени и воспламеняются. Эти микрокометы живут недолго: каплю интенсивно обдувает ускоряющийся поток, деформирует и дробит ее на мельчайшие частицы. Скорость сгорания во фронте тем больше, чем больше скорости турбулентных пульсаций, обычно составляющих один - три процента скорости потока. Эффективность процесса горения и его завершенность оценивают в технике коэффициентом полноты сгорания "Ф" - отношением масс сгоревшего и поданного в камеру топлива. Его определяют методом газового анализа продуктов сгорания, отобранных специальными охлаждаемыми насадками. Чем ближе величина "ф" к единице (в хороших камерах обычно недобирается два-три процента сгоревшего топлива), тем совершеннее камера; "ф" зависит от коэффициента избытка воздуха, качества смесеобразования и ряда других факторов.

Работа над испарением заставила меня взглянуть на каплю с новой точки зрения. Раньше она представлялась мне просто сложным объектом гидромеханики. Теперь я в ней увидел иную, более общую модель. Молекулы газа распространяются беспорядочно и неограниченно в пространстве, маленькая капля - один из первых шажков от мира классического хаоса к порядку и гармонии. Многоугольники молекулярных траекторий здесь загнаны внутрь правильной сферы.- при испарении вылетают самые шустрые. Капля, малая частица мира, символизирует его двуединство: статистический хаос случайного и гармонию закономерностей. Потому-то я высказал в начале книги предположение, что именно в этой частице, ячейке мира зародилась, по-видимому, жизнь на Земле (вспомните коацерватные капли академика А. И. Опарина). Со временем, возможно, феномен капли будет изучаться новой наукой о самоорганизации устойчивой системы из беспорядка - синергетикой.