Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 36
Текст из файла (страница 36)
При этом небольшие внешние воздействия на «капаю» приводят к радикальным изменениям свойств их электронных энергетических спектров. В большинстве случаев для обычных веществ подобные изменения пока недоступны для эксперимента. 18.4. Течения полимерной жидкости Течения простых жидкостей описываются системой соотношений, выражающих законы сохранения массы и импульса в движущейся среде. Для вязкой жидкости ими являются соответственно уравнение непрерывности и уравнение Навье — Стокса.
С молекулярных позиций, под простыми жидкостями подразумевают жидкости, состоящие из относительно «легких» молекул (с молекулярным весом не превышающим что-то около 1Оз). Именно дкя таких жидкостей применима указанная в 84.1 связь между деформацией сдвига и текучестью (в качестве коэффициента пропорциональности сюда входит вязкость). Однако отмеченная стаНдартная связь межлу сдвиговой деформацией и текучестью не способна описать течения полимерных жидкостей.
Молекулы таких жидкостей представляют собой длинные гибкие цепи из повторяющихся звеньев. Их молекулярный вес достигает значений 10~ ек 1Ок. ПРи этом конфигУРациЯ молекУлЯРных цепей — их напРавленная вытянутость или свернутость в клубки — может зависеть от типа течения и„в свою очередь, влиять на характер самого течения. Чтобы убедиться в качественном отличии течений полимерной жидкости от течений жидкости простой, рассмотрим результаты ряда экспериментов.
На рис. 18.2 представлена серия поставленных опытов с течениями простой и полимерной жидкостями. При этом условия формирования течений в обоих случаях были одинаковыми. В «кадре» (а) зафиксировано течение, созданное вращающимся стержнем. Видно, что вблизи стержня поверхность простой жидкости опускается, а у полимерной жидкости— поднимается. В кадре (б) течение в сосуде создается вращающимся диском, расположенном в его донной части. При этом у простой жидкости центр ее поверхности стремится образовать «воронку», а у жидкости полимерной — «холм».
В кадре (в) вращающиеся диски помещаются в верхней части сосудов (на поверхности рассматриваемых жидкостей). Увлекаемый диском приповерхностный слой жидкости формирует вынужденное «конвективное» течение. При этом движение простой жидкости в «конвективной петле» направлено вниз вдоль стенки и затем вверх з18, Экзогпачасаие жодкооли 157 в окрестности оси сосуда. У полимерной жидкости движение в «конвективной петле» имеет противоположное направление. Рассмотренные течения обеих жидкостей были связаны с ее вращением. Теперь обратимся к другим типам течений.
Вернемся к рис. 18.2. В кадре (г) изображено очень медленное (ламинарное) течение вязкой жидкости в стеклянной трубке кругового сечения. Сама жидкость в трубке приводится в движение насосом. В указанных условиях течение простой жидкости с хорошей точностью описывается пуазейлевским законом (см. $4.2). Последний, как известно, выражается параболической зависимостью для профиля скоростей. В целях визуализации течения, введем в некотором сечении стеклянной трубки тонкий слой краски, способный к растяжению при разности скоростей в соседних участках жидкости.
В кадре (г) имеется шесть последовательных положений подкрашенного слоя сечения медленно текугцей жидкости. В первом положении жидкость находится перед началом движения. В четвертом и последующих положениях ее течение прекратилось. Наблюдая за течением жидкости с первого по четвертое положения, видим, как меняется параболический профиль скоростей в ламинарном потоке простой жидкости. Аналогичная ситуация складывается в ламинарном потоке полимерной жидкости (с первого по четвертое положения). Однако в пятом и шестом положениях, когда принудительное течение полимерной жидкости уже прекратилось, проявляется своеобразная «отдача» в движении, что видно по профилю скоростей. Это обстоятельство, по-видимому, связано с восстановлением клубкообразной конфигурации макромолекул полимерной жидкости (памятуя о том, что поток вытягивает звенья молекулярных цепочек).
Кратко остановимся на экспериментах, представленных в кадрах (д)-(х) рис. 18.2. Простая и полимерная жидкости вытекают из трубки или щели (кадр (д)). При этом сечение струи простой жидкости суживается, а у жидкости полимерной площадь сечения струи может возрасти в 5 раз. Любопытная ситуация изображена в кадре (е), Откачать простую жидкость через сифон возможно в случае, если конец сифона опущен в жидкость. Однако полимерную жидкость можно выкачать из сосуда даже в условиях, когда всасывающий конец сифона находится над поверхностью жидкости на расстоянии до нескольких сантиметров.
В кадре (ж) показано течение обеих жидкостей по наклонным желобам с полукруглым сечением. Течения жидкостей ламинарное. Различие возникает в форме поверхности жидкостей: у простой — она плоская (кроме краев), у полимерной — слегка выпуклая. В кадре (з) представлена картина медленного течения обеих жидкостей при переходе из широкой трубы в узкую. Видно, что в полимерной жидкости образуются вихри вверх по течению. Эти вихри захватывают часть жидкости, которая не проникает в узкую трубу. «Акустическое течение» изображено в кадре (и). Так называют течения сред, возникающие вокруг излучателей звуковых волн. В данном 158 я 28.
Экзотические жидкости случае в качестве излучателей взяты цилиндры, колеблющиеся в поперечном направлении. Возникающие акустические стационарные вихревые течения в обеих жидкостях имеют взаимно противоположные направления, Наконец, в кадре (к) рассмотрен опыт с двумя шариками, падающими внутри узкой трубки, наполненной жидкостью. Опыт ставится следующим образом. В трубку с простой жидкостью бросают один за другим два шарика, второй из которых вскоре догоняет первый.
В последующие моменты они движутся вместе. В полимерной жидкости поставленный выше опыт протекает иначе. Можно так подобрать интервал времени между началом падения обоих шариков, что второй шарик, при движении в жидкости„станет отталкиваться от первого. Полного понимания динамики полимерных жидкостей в описанных десяти экспериментах пока нет. Здесь особенно важен подход, позволяющий раскрыть молекулярный механизм эмпирических гилродинамических связей между сдвиговыми напряжениями и «усложненной» текучестью полимерных жидкостей.
В заключение этого раздела заметим, что искусственно созданные полимеры появились лишь в 30-х гг. ХХ-го столетия, а исслелование динамики полимерных жидкостей началось с 50-х гг. Последнее было вызвано быстрым ростом промышленности пластмасс. В настоящее время полимерм являются составной частью так называемых композитных материалов, занявших прочное место в производстве изделий ддя новейших отраслей техники.
Среди них летательные аппараты и аэрокосмическая техника. На спинке изображен участок солнечной атмосферы. Для этого фотографирование производилось в лучах красной линии водорода. Сложная ячеистая структура иагнитного поля, «вмороженного» в солнечную плазму, ведет к перезамыканию почти соприкасающихся магнитных силовых линий с противоположной направленностью на границах ячеек. При этом за счет освобождающейся магнитной энергии образуются вертикальные потоки плазмы космических скоростей («спикулы»). Бушующий «океан спикул» хорошо виден на снимне.
Солнечная замагниченная плазма — пример крайне неравновесной среды в 19. Исследования по управляемому термоядерному синтезу (УТС) и магнитная гидродинамика. Турбулентное динамо Земли и Солнца. Нелинейные явления в плазме 19.1. Самостягивающийся разряд и его псзродииамическая неустойчивость Изучение поведения высокоионизованного газа в магнитных полях привело к построению так называемой магнитной гидродинамики. Частично или полностью ионизованный газ (электронейтральный в целом) образует особое состояние вещества называемое плазмой. В обычных газах между составляющими его нейтральными атомами и молекулами эпизодически (в моменты столкновений) проявляется взаимодействие, быстро убывающее с расстоянием (потенциал взаимодействия между молекулами зависит от межмолекулярного расстояния, как и в).
Поскольку компоненты плазмы (электроны и ионы) электрически заряжены, а кулоновский потенциал спадает медленно: и ', естественно ожидать, что такая система проявит некоторые коллективные свойства. Действительно, в плазме, стянутой как целое далекими кулоновскими силами, легко возбуждаются всякого рода «электрически упругие» колебания (плазма всегда «щумит»). Если плотность п числа частиц в плазме такова, *по длины свободных пробегов 1 частиц малы по сравнению с характерными размерами Ь 160 Э 19.
Исследования по управляемому гпермоядерному сонглезу системы, то при рассмотрении явлений переноса в плазме возможен подход, описывающий плазму, как сплошную среду (см. конец э 2). Казалось бы, что методов обычной гидродинамики вполне достаточно для описания неравновесных состояний плотной плазмы. Однако плотная плазма является «электропроводяшей жидкостью» и ее движения, например во внешнем магнитном поле, будут существенно отличаться от движений обычной жидкости. В самом деле, если; 1) плазма движется в постоянном магнитном поле, то на ее заряженные частицы действует электродинамическая сила Лоренца, 2) переменное внешнее магнитное поле возбуждает в плазме индукционные токи, которые сами создают собственное магнитное поле, в свою очередь, влияющее на движение. В результате, плотная плазма должна описываться совместной системой уравнений гидродинамики и электродинамики.
В этом заключается метод магнитной гидродинамнки. Рассмотрим ряд эффектов, возникающих в рамках магнитной гидродн нам ики. Поскольку плазма может обладать весьма высокой электрической проводимостью, то естественно ввести модель идеально проводящей (электропроводность сг = со) жидкости. В таком случае внешнее магнитное поле не может проникать в плазму, ибо иначе в ней индуцн- Рис. 19.1а. Развитие неустойчивости пинча (самосжимающегося разряда газовой плазмы) Видно образование перетяжея и разрыв плаз менного столба.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
