Типы и конструкции распылителей разнообразны, но в основе их лежит единый принцип: придание потоку жидкости более неустойчивых форм и конфигураций (тонкой пелены) и «подстегивание» процесса роста волн возмущений различными внешними воздействиями (механическими вибрациями, электрическим полем, направленным потоком газа и т. п.).
«Перелопатив» груду журналов и монографий, мы убедились, что большинство распылителей имеет свою узкую «профессию» и лишь центробежная форсунка наиболее универсальна, проста и компактна. Удовлетворенные, мы вернулись к ней с новым чувством уважения. Гибко изменяя ее параметры rc , R , rвх , п, иначе говоря, геометрическую характеристику
A = rcR / rвх2 n
- можно всегда вписать форсунку в самые разнообразные условия камеры сгорания по расходу топлива, углу распыливания и дисперсности.
Возникло желание на опыте посмотреть эффект, скрытый внутри форсунки со сталкивающимися струями. Установку соорудили почти моментально, подключив к водопроводу трубку с Т-образным тройником, на концы которого надели резиновые трубочки с цилиндрическими наконечниками. Их закрепили в химических штативах, направив струи в горизонтальной плоскости друг на друга, под углом 90°. Мы чуть-чуть приоткрыли кран, давая минимальную скорость жидкости. Стеклянно-гладкие струи воды столкнулись в начальной зоне истечения. Ну чего, казалось, особенного можно было ожидать в месте соударения? Облака водяной пыли? Но нет конца изобретательности природы в мире капель и струй. И вот возникла совершенно необычная картина.
Потоки, столкнувшись, расплющились, став тонким прозрачным овалом, расположенным перпендикулярно плоскости осей по биссектрисе угла соударения. Периферия овала очерчивалась жгутами изогнутых струй; часть жидкости была даже оттеснена вспять, оказавшись позади зоны встречи (задняя вершина овала); граничные струи, обогнув пелену, снова столкнулись в передней вершине овала, и опять под прямым углом; Картина соударения повторилась вторым, меньшим овалом уже в горизонтальной плоскости (струи теперь сталкивались в вертикальной плоскости). Так, по закону цепной реакции, нанизываясь друг на друга, протянулась витая гирлянда жидких постепенно уменьшающихся овалов—теоретический анализ показал, что это эллипсы. В такой форме явление развивалось при очень малых скоростях истечения, когда силы поверхностного натяжения жидкости сравнимы с аэродинамическими — скоростным напором ρv2/2.По мере открывания крана и роста скорости жидкости число овалов уменьшается, пока не начинается распад сразу после первого овала. Конечно, жидкая пелена неустойчива и при медленном течении, и на каком-то звене возникает распыливание, но скорость роста амплитуды волн неустойчивости оказывается меньше скорости движения жидкости, и ей удается на время «убежать» от распада.
Мы провели опыт и со встречными струями, получив в поперечной плоскости большой жидкий «блин», растекшийся в тонкую пелену поперек струй. Аналогичная картина растекания (но без распада) наблюдалась при ударе струи под прямым углом . о плоскость экрана. Вдруг где-то на большом радиусе мы увидели ступеньку кольцевого валика. Ну конечно, это наш старый знакомый — гидравлический прыжок, он должен был возникнуть! Действительно, по мере радиального растекания пелена все утоньшалась, а, следовательно, при определенной малой толщине пелены h должно было удовлетвориться уже известное нам математическое условие прыжка
v = √gh
И он (законы природы безотказны) не замедлил возникнуть.
* * *
Тем временем шло становление и развитие реактивной техники, увенчавшееся блестящими успехами космических запусков. У нас и за рубежом продолжалось интенсивное исследование, рабочего процесса камер сгорания. «Строительные» работы велись сразу на нескольких этажах далеко не завершенного здания. В деловых буднях, на совещаниях и обсуждениях люди с интересом и некоторым удивлением наблюдали, как единое научно-техническое древо на глазах выбрасывает побеги отдельных проблем и направлений. Уже появились специалисты по форсункам и распыливанию — «смесеобразователи»; по организации процесса горения в потоках больших скоростей — «горелыцики». Кто-то вспомнил старую шутку о врачах — специалистах по правому и левому уху. Но жизнь, практика на самом деле требовали специализации и неизбежно разводили пути-дороги исследователей. Такое расслоение происходило и в среде зарубежных ученых, с которыми постепенно налаживались контакты. Уровень работ наших авторов по распыливанию и горению был достаточно высок, и они все чаще публиковались и цитировались в иностранной литературе. Один из наших аспирантов получил из Англии ( в те годы это было в новинку) письмо-отклик на свои новаторские статьи по турбулентному горению. На конверте значилось: «А. Г. Прудникову— эсквайру» (помимо любезного обращения, титул имел еще первоначальное, старое значение — землевладелец, дворянин). Сейчас уважаемый доктор технических наук проживает в благоустроенной квартире и вряд ли вспоминает эпизод прошлого. А тогда наш «эсквайр» с семьей ютился в тесной комнатке (с жильем было туговато), и, пожелай автор письма посетить коллегу в один из приездов на научную конференцию, возникла бы неловкость.
Параллельно с исследованием процессов рождения капли из струй начались поиски закономерностей последующих фаз ее краткого, но многообразного существования — испарения и горения. Измерение времени жизни капли требовалось для расчета камеры сгорания не только двигателей, но и промышленных топок, котельных установок тепловых электростанций, различных энергоблоков и т. д.
Мы интенсивно искали методику эксперимента. В технической задаче такого рода открывались два различных пути. Рассматривать явление как оно есть, в условиях, близких к реальным,— факел распыливания в камере с потоком нагретого воздуха — и искать эмпирическую зависимость степени испарения, растущей доли испаренного вещества по длине. Или выделить одну-единственную каплю из всего роя и изучать механизм процесса в более простом и ясном проявлении с надеждой на дальнейшие обобщения. Первый путь сулил, казалось, реальные и сравнительно быстрые результаты — виделся несложный эксперимент: улавливать жидкость гребенкой отбора — шеренгой согнутых Г-образных трубочек, пользуясь осевой симметрией потока. Правда, самые мелкие капли могли облетать трубочки. Но в спектре распыливания некоторых форсунок доля таких капель была невелика, и расчеты позволяли вносить поправку. Вычисляя разницу расхода из форсунки я массы отобранной жидкости, оказалось возможным построить кривую роста степени испарения. Вскоре мы получили целый «чемодан кривых», как говорила техник Раиса, прилежно строившая все эти графики. Но никакой закономерности подметить не удавалось. Обобщение в виде эмпирической формулы не получалось — ум, как и глаз, не мог сразу охватить сложное многообразие летящих и испаряющихся капель. Мы, правда, получили при этом некоторое представление о реальных интервалах и скоростях испарения, что для начала тоже оказалось ценным.
Оставался второй путь. Одиночная неподвижная капля должна была послужить простейшей моделью, на которой можно было подсмотреть действие закона испарения и описать его математически. Это открывало путь к возможному обобщению. Некоторые экспериментаторы вообще начинали с «железных капель». На поверхность металлического шара через мелкие поры подавался тонкий слой жидкости — поддерживалась неизменная толщина испаряющейся пленки, что соответствовало стационарным условиям опыта. По расходу жидкости судили о скорости испарения.