3.6.7. Объемная и поверхностная турбулизация

Согласно традиционной точке зрения, колебания скорости усиливаются в объёме потока, турбулентные пульсации генерируются в объёме. Поверхности твёрдых тел, обтекаемых потоком, дают лишь граничные условия V = 0 решений для потока [12]. С предлагаемой точки зрения причина турбулизации - твёрдоподобные свойства жидкости. Простая жидкость или газ в объёме не имеет таких свойств, а имеет их лишь в околоповерхностных слоях, где свойства жидкости изменены дальнодействующим полем структурных эффектов твёрдой подложки. Генерация пульсаций может идти лишь в околоповерхностных слоях. У непростых жидкостей возможны как поверхностная, так и объёмная турбулизация.

Автоколебания, пульсации и турбулентность развиваются и в потоках газа, хотя и в меньшей степени по сравнению с жидкостью. На границе твёрдое тело - газ также возможны, видимо, "прилипания" и срывы. Если поверхность как целое лишь зеркально отражает падающие молекулы газа, как математическая твёрдая стенка в компьютерных экспериментах, то скольжение фаз по такой поверхности пойдёт без сопротивления, f = 0. Если же падающие молекулы испытывают упругое соударение с частицами твёрдого тела и, следовательно, обменивается с ними импульсом или же адсорбируются и десорбируются, то реализуется "прилипание" фаз на границе. Если при возрастании скорости течения нарастает вероятность хотя бы частичных, местных и временных сдвигов от второго варианта (прилипания) к первому ( скольжению), то в таких случаях будет df/dv < 0 и обсуждаемый механизм генерации колебаний будет справедлив и для потоков газа.

Согласно традиционному подходу, физические свойства твёрдых поверхностей несущественны; любая поверхность даёт лишь граничное условие V = 0 для гидродинамических задач. В предлагаемой модели поверхностная турбулизация зависит от того, в какой мере поле твёрдой поверхности сообщает твёрдоподобные свойства приповерхностным слоям жидкости. Эксперименты с плёнками [26] показывают, что одни подложки изменяют вязкопластические свойства прилегающей жидкости сильно и на больших расстояниях, а другие - слабо и на малых расстояниях. Гидродинамические эксперименты подтверждают существенное влияние физических свойств поверхности. Известно, что с помощью специальных покрытий можно значительно снизить сопротивление потока [53].

Если твёрдую поверхность заменить мягкой оболочкой, то в спектре собственных частот системы исчезнет высокочастотная область и вместе с нею соответствующая часть потерь энергии при обтекании; можно добиться также "гашения" пульсаций оболочкой при соответствующих реологических свойствах ее. Опыт показывает, что таким путём действительно можно уменьшить сопротивление ( Известный популярный пример подобного явления состоит в следующем: сопротивление движению торпеды много больше, чем, например, у дельфина, при эквивалентных условиях движения. ) [53].

Если уменьшить контакт твёрдой поверхности с обтекающей жидкостью, например, организовать на границе интенсивное газовыделение, чтобы твёрдая поверхность была "в рубашке" из мелких пузырьков, то можно ожидать резкого падения поверхностной турбулизации потока и сопротивления. Подобные условия реализуются также в случае аппаратов, быстро скользящих по воде, так что их поверхность не успевает смачиваться полностью.

Согласно традиционным взглядам, для турбулизации несущественны и физические свойства жидкости или газа, если параметр Re задан. В предлагаемой схеме отсутствует турбулизация газовых потоков в объеме, и их общая турбулентность должна быть меньше. Действительно, воздушные потоки при равных значениях Re турбулизуются меньше по срвнению с водными. Воздух, обтекающий самолёт, образует "почти настоящий потенциальный поток" [12], хотя значения числа Рейнольдса огромны, Re (10⁷ - 10⁸).

Считается, что течение переходит в турбулентный режим при определённых критических значениях Re. Однако для согласия с опытом сразу же приходится оговориться, что критические значения Re свои для каждого вида течения; Reкр для течения в трубе может оказаться, например, на порядок величины больше, чем для обтекания цилиндра. При более подробном анализе потребовалось бы рассматривать свои значения Re для каждой жидкости, каждого типа поверхности, ее покрытия, каждой геометрической особенности течения и др.

В предлагаемой модели критерием перехода в турбулентный режим при поверхностной турбулизации должно быть не число Рейнольдса, а скорее максимальная величина сдвиговых напряжений f = V + c у поверхности. При медленном течении и малых f эти напряжения способны вызвать срывы лишь в отдалённых от поверхности участках жидкости, где её твёрдоподобные свойства слабы и предел прочности мал. При больших f, видимо, вовлекаются в срывы-прилипания, то есть в генерацию пульсаций более прочные слои жидкости, расположенные ближе к поверхности.

Источник турбулентности находится при этом в поверхностных слоях.

Действительно, при обтекании цилиндра турбулизованной оказывается тонкая лента жидкости, стекающая с экватора цилиндра, где сдвиговые усилия f максимальны. Струи, соприкасавшиеся с поверхностью, образуют турбулентный след; первоначально пульсации сосредоточены в них [12].

Можно организовать течение электропроводящей жидкости или газа вдали от твёрдых поверхностей и практически без их влияния с помощью

переменного электромагнитного поля, как при электромагнитном перемешивании жидкого металла. Интересно было бы сравнить два эквивалентных течения с одинаковыми Re и c близким распределением скоростей, одно из которых развивается, как обычно, около твердых стенок, а второе организовано вдали от них. Согласно предлагаемой схеме, газовый поток вдали от стенок вообще не будет турбулизоваться, а жидкостный будет турбулизован меньше на величину поверхностной турбулизации. По существующим представлениям, турбулизация во всех случаях должна быть одинаковой, если значения Re близки. Такое сравнение позволило бы разделить поверхностную и объёмную турбулизацию и проверить существующую теорию и предлагаемую схему.

Отметим также, что в реальных течениях переход от стационарного течения к нестационарному, нарастание хаотичности может наступать не только при увеличении скорости течения (V и Re), но и при уменьшении V. Действительно, при уменьшении скорости течения появляются всё более крупные и долгоживущие застудневшие участки, перемещающиеся как целое. Течение становится похожим на перемещающиеся льдины, смерзающиеся и разрушающиеся; траектория каждого микрообъёма становится сложной и запутанной, содержит "броуновскую" компоненту; нарастает пространственно-временной хаос.

У воды такие участки ("льдины") наблюдаются в инерционном вискозиметре, если он тщательно изолирован от случайных внешних воздействий, вибраций и др. (параграф 3.3); когда скорость течения по инерции понизится до очень малых значений (10^-2 - 10^-3)* с^-1, то становятся видимыми такие участки (особенно при использовании меток), и около V  10^-3 наступает практически полное застудневание воды по всему объёму вискозиметра. Подобное появление макроскопических застудневших участков при уменьшении скорости V легко наблюдается на модельных жидкостях с сильным студнеобразованием, в частности, на воде с добавками желатина.

Таким образом, область ламинарного течения оказывается между двумя областями хаотичности и может полностью исчезнуть, особенно в случае жидкости, склонной к застудневанию. Если хаотичность при больших скоростях определяется конкуренцией инерционных и вязких сил, то при малых - конкуренцией прочности жидкости и вязкости.