“Salus populi suprema lex est”
Международное общественное объединение

1872 - 2017

Russian Physical Society, International

Международное общественное объединение Русское Физическое Общество (сокращённо – РусФО, RusPhS) - добровольное объединение учёных, инженерно-технической интеллигенции, изобретателей, предпринимателей для совместной интеллектуальной и научно-практической деятельности в области естествознания, - науки о природе.
Научная цель: построение единой физической картины мира и поиск основной целевой функции человечества.

Сменковский Е.Г. Об особенностях переноса импульса и энергии частиц при их движении в узких каналах сотовой структуры.



ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ПЕРЕНОСА ИМПУЛЬСА И ЭНЕРГИИ ЧАСТИЦ ПPИ ИХ ДВИЖЕНИИ
В УЗКИХ КАНАЛАХ СОТОВОЙ СТРУКТУРЫ


Сменковский Е.Г.

Предлагаемая статья своим появлением обязана работе Володько Ю.И. [1], в которой на основании экспериментальных данных делается вывод о возможности создания "монотермического" двигателя, то есть прямого преобразователя тепловой энергии окружающей воздушной среды в механическую энергию вытекающей из двигателя струи. Представляет интерес установка, на которой проводились эксперименты. Она, рис. 1, включает насос подкачки 1, ресивер 2 и трубку 3 с наконечником 4, имеющим узкий канал (щель).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки Володько Ю.И. [1]

Применительно к этой схеме, основной вывод указанной работы может быть сформулирован так: при определённых условиях мощность вытекающей из узкого канала струи превышает мощность, потребляемую насосом подкачки. Избыток мощности струи при этом объясняется дополнительным охлаждением воздуха за счёт преобразования части внутренней тепловой энергии воздуха в кинетическую энергию струи. Поскольку более подробного обоснования указанного преобразования в работе [1] не приводится, ниже делается такая попытка, исходя из молекулярно-кинетических представлений.

Прежде всего, однако, следует определиться с понятиями "узкого канала", "узкой щели", или "сопла-щели" (именно последним оперирует Володько Ю.И.). По логике вещей, узким должен называться канал, поперечные размеры которого сопоставимы со средней длиной λ свободного пpобега молекул воздуха (по крайней мере, они не должны превышать λ более, чем на порядок). Понятиями же узкой щели и сопла-щели не устанавливаются какие-либо ограничения по ширине щели, что вряд ли обосновано. В то же время существенное значение Володько IO.И. придаёт такому параметру, как длина канала (сопла-щели).

Представляется, что использование в монотермических установках одиночных узких каналов (сопел-щелей) в принципе не позволяет говорить о возможности их широкого внедрения в практику. Поэтому при дальнейшем анализе будем исходить из того, что решена технологическая задача создания микропористых перегородок, содержащих множество параллельных узких каналов при минимальной толщине внутренних стенок, - наподобие ниже представленной сотовой структуры, рис.2.

  Рис. 2.

Стоит заметить, что создание подобных структур (если исходить из средней длины свободного пробега молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях λ = 0,1 мк, то поперечный размер ячейки должен иметь порядок мк, или единиц мк) - задача величайшей сложности, но и перспективы их практического использования являются просто захватывающими: от строительных конструкций до насосных систем, высокоэффективных теплообменников и, конечно, - монотермических двигателей.

Обратим внимание и на то, что подобные перегородки оптически прозрачны (в направлении осей каналов), а их стенки лишены шероховатостей, "заметных" для пролетающих молекул, что предопределяет отсутствие градиента скорости в проходящем потоке и, следовательно, отсутствие внутреннего трения в нём. Это означает, в частности, что имеет значение лишь ограничение толщины перегородки "снизу", очевидно, значением, превышающим поперечный размер ячеек на один - два порядка. Благодаря сотовой структуре микропористой перегородки проходящий через неё воздушный поток разбивается на отдельные струйки с эффективным диаметром d . Рассмотрим одну из них, рис. 3.



Рис. 3

Внутри струйки можно выделить две области, различающиеся по свойствам протекающего по ним потока. Внутренняя область А характеризуется взаимодействием частиц потока (молекул воздуха) исключительно между собою и, следовательно, постоянством их суммарной энергии и импульса, в то время как внешняя (прилегающая к стенкам) область Б характеризуется взаимодействием частиц потока не только между собой, но и со стенкой. Благодаря взаимодействию со стенкой, суммарный импульс частиц этой части потока не сохраняется.
Вообще вектор w скорости любой частицы в рассматриваемом потоке всегда состоит из двух составляющих:

w = u +v  ( векторное соотношение),                                                               ( 1 )

где: u - скорость "упорядоченного" движения; v - скорость "неупорядоченного" (теплового) движения.

В свою очередь, вектор v содержит осевую v0 и радиальную vp составляющие:

v = vo +vp.                                                                                     (2) 

Соответственно, можно говорить об осевой и радиальной составляющих импульса частицы рv = m∙v (здесь m - масса частицы). Особенностью осевой составляющей импульса любой частицы, пролетающей через входное сечение извне канала является то, что она в принципе может быть направлена только по упорядоченному потоку. Что касается частиц, движущихся в сторону входного сечения изнутри, то их влиянием можно пренебречь при условии, что канал достаточно длинен, а температура среды на выходе существенно меньше температуры среды на входе. В этих условиях, рис. 4, среднее значение тепловой составляющей потока на входе в канал составит величину:

<v0> = (l/λ) ∫λo <v> cosα·dr,

где <v> - средняя скорость теплового движения частиц среды у входа в канал.
С учётом того, что dr = λ·cosα·dα, получаем: 

<v0> = (π/4)·<v>.


Рис. 4

Всё это уже означает, что узкий канал, по которому частицы перемещаются из области с высоким давлением (в данном случае - из ресивера) в область с низким давлением (в данном случае - в атмосферу) обладает детектирующим по отношению к тепловым движениям частиц действием, поэтому скорость упорядоченного движения частиц внутри узкого канала всегда выше той, которая следовала бы из уравнения Бернулли:  
р + ρ·u2/2 = const,                                                                         (3)

не учитывающего изменение температуры по ходу потока. Можно сказать, что уравнение (3) справедливо для относительно "широких" каналов. В узких каналах благодаря указанному выше их детектирующему свойству в пределах участка, длиной порядка десятков λ происходит повышение скорости и упорядоченного движения частиц, которая к своему начальному (при входе в канал) значению u0 получает приращение Δu:

u = u0 + Δu  (скалярное соотношение).                                                             (4)

В свете изложенного можно заключить, что в пределах длины канала приращение Δu возрастает за счёт энергии теплового движения частиц от значения Δuвх = <vo> = (π/4) <v> на входе до значения Δuвых ≈ < v> на выходе. Данный вывод, кстати, означает, что энергия осевых колебаний частиц, попадающих в узкий канал, сразу резко ограничивается.

Более сложным является вопрос о соотношении между возникaющими по ходу потока в канале изменениями динамического ρ·u2/2 и статического ρ давлений по причине ограничения радиальной составляющей тепловых колебаний, поскольку величина динамического давления помимо скорости u. определяется ещё величиной плотности потока ρ. Ответ на него может быть дан с учётом того, что рост скорости потока по длине канала свидетельствует об увеличении его кинетической энергии благодаря переходу в последнюю оставшейся доли энергии осевой составляющей и значительной доли энергии радиальной составляющей теплового движения частиц.

В итоге напрашивается аналогия с "демоном Максвелла". Но демон Максвелла "сортирует" молекулы по скоростям теплового движения. "Демон" же, "живущий" в узком канале, поступает проще: он заставляет молекулы "маршировать строем"!
В этой связи исключим из уравнения (3) параметр ρ, используя уравнение состояния идеального газа в виде: 

Р = ρ·R·T,

где: R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура газа.

С учётом (5) уравнение (3) приводится к форме:
р·(1 + u2/2RT ) = const,

откуда уже хорошо видно, что с увеличением скорости потока u, сопровождающимся уменьшением температуры Т, статическое давление р , зависящее от радиальной составляющей тепловых колебаний, просто обязано уменьшаться по ходу потока.

Ещё одно объяснение уменьшения статического давления, а следовательно - и перехода тепловой энергии среды в кинетическую энергию струйки, связано со взаимодействием со стенкой (в области Б) радиальных составляющих импульсов, составляющих поток частиц. Это взаимодействие в общем случае является достаточно сложным, но в условиях стационарного потока в среднем имеет место полное внутреннее отражение импульса от стенки (как показано на рис. 3).

Таким образом, в узком канале всегда существуют два радиальных потока импульса: поток, направленный от оси канала к стенке, и поток, направленный от стенки к оси канала. Их равновесие в стационарных условиях ограничивает величину радиальной составляющей импульса частиц по всему сечению канала, и это ограничение усиливается по мере нарастания отражённого потока при продвижении частиц по каналу. Естественно, что одновременно ограничиваются и радиальные составляющие теплового движения частиц, а - следовательно - и давление потока на стенку (то есть статическое давление в струйке).

Можно представить дело и так, что поток частиц, протекающих в узком канале, непрерывно подпитывается потоком импульса, исходящим от стенки. Составляющая этого импульса, рождаемая одной частицей, представляет разность ΔpV отражённого стенкой (р·Vотр) и падающего на стенку (p·Vпад)  импульсов, см. рис. 3, - 

ΔрV = рVотр - рVпад = - m·vp.                                                                 (6)

Следовательно, влияние стенки на поведение струйки в канале адекватно влиянию потока импульса ΔpV/dt . С учётом знака правой части выражения ΔpV (6), также можно утверждать, что указанный поток уменьшает радиальную составляющую неупорядоченных (тепловых) колебаний частиц, то есть оказывает на движение частиц ламинаризующее действие.

По мере приближения к оси канала, плотность потока импульса от стенки в связи с уменьшением площади проходного сечения должна возрастать (в пределе - до бесконечности!), но этого не происходит, так как "по дороге" поток растрачивает свою энергию на гашение колебаний встречных частиц. Поэтому "результативность" потока падает с увеличением диаметра канала (отсюда, в частности, и ограничения по площади поперечного сечения канала).

Другими словами, итоговый результат действия потока импульса, исходящего от стенки канала, сводится, по сути дела, к подавлению всех трёх степеней свободы тепловых движений частиц и, следовательно, - к охлаждению струйки. Конечная температура струйки в значительной степени зависит от величины статического давления (то есть атмосферного давления) в зоне её выхода из канала. С учётом возможности создания в этой зоне значительного разряжения, например - при движении транспортного средства, охлаждение струйки может быть весьма значительным: в пределе - до абсолютного нуля!

Следует особо отметить, что рассматриваемый (рис. 1) монотермический двигатель Володько Юрия Ивановича, являющийся по своей сути прямоточным воздушно-реактивным, - безусловно перспективен для использования на транспортных средствах. Его главное достоинство - полная экологичность (при движении за транспортным средством будет оставаться лишь "холодный след").

Введём теперь в рассмотрение коэффициент увеличения скорости потока в узком канале ku= u/u0. С учётом значения u он может быть представлен также формулой:
ku = 1 + Δu/u0.                                                                              (7)

Отношение Δu/u0 находится по условию сохранения энергии единицы массы потока. В представляющем интерес предельном случае, когда поток охлаждается до абсолютного нуля (Δu = Δumax), это условие имеет вид:

(u0 + Δumax)2/2 - u02/2 = (3/5)·cv·T0,                                                           (8)

где: сv - удельная теплоёмкость воздуха в ресивере, Т0 - абсолютная температура воздуха в ресивере, а коэффициентом 3/5 учитывается доля энергии тепловых колебаний во внутренней энергии входящего в канал потока.ИЗ (8) следует:

Δumах/u0 = - 1 + √(1 + 1,2·cv·T0/u02).                                                   (9)

с учётом (9) формула (7) получает вид: 
kumax = √(1 + 1,2·cv·T0/u02).                                                     (10)

Для нормальных атмосферных условий (cv = 0,72 кДж/кг·К; То = 2880К) и u≤ 100 м/с при прикидочных расчётах удобно использовать приближённую формулу:
kumax ≈ 500/u.                                                                (10)

В заключение приведём расчётную формулу максимальной мощности Nmax такого двигателя:

Nmax = Gв·kumax·u0·vотн,                                                       (12)

где: Gв - массовый расход воздуха через двигатель; vотн - скорость транспортного средства относительно земли.

Если двигатель используется для привода воздушного винта, например - вертолёта, или для привода "вертушки", соединяемой, например, с колёсами автомобиля, и воздушный поток вытекает из концов лопастей или вертушки, то под vотн следует понимать их окружную скорость относительно корпуса транспортного средства.

Что касается потребляемой двигателем мощности (это, в основном, мощность, потребляемая насосом подкачки или входным компрессором), то следует иметь в виду, что в установившемся режиме движения транспортного средства необходимое давление воздуха на входе в "узкий канал" может обеспечиваться исключительно за счёт скоростного напора набегающего потока воздуха. Понятие "к.п.д." по отношению к такому двигателю поэтому теряет смысл.

Литература
 
1. Володько IO.И. Экспериментальное исследование ламинарного истечения сжатого воздуха в атмосферу и приложение его результатов к проектам не традиционных - летательного аппарата и энергетической установки. // Журнал «ЖРФМ», 1997, /?1-12, стр. 42-58.

г. Ульяновск, 06.10.98.

Сменковский Евгений Германович, - доктор технических наук, профессор Ульяновского технического университета.

Опубликовано: журнал «ЖРФМ», 2005, ? 1-12, стр. 70-76.



« назад

Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 89, Выпуск № 1 (2017г.)
ЖРФМ, 2016, № 1-12 (ЖРФХО, Т. 88, вып. № 4)
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 88, Выпуск № 3 (2016г.)
Шпеньков Г.П. Динамическая модель элементарных частиц. Видео лекция
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 88, Выпуск № 2 (2016г.)
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 88, Выпуск № 1 (2016г.)
Журнал
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 87, Выпуск № 3 (2015г.)
Журнал Русской Физической Мысли, 2015, № 1-12
Журнал Русского Физико-Химического Общества, Том № 87, Выпуск № 2 (2015г.)
Журнал Русского Физико-Химического Общества ЖРФХО, Том 87, Выпуск № 1 (2015г.)
Энциклопедия Русской Мысли. Том 24
Энциклопедия Русской Мысли. Том 23
Энциклопедия Русской Мысли. Том 22
Энциклопедия Русской Мысли. Том 21
Армянская секция Русского Физического Общества
Энциклопедия Русской мысли. Том 20
Энциклопедия Русской мысли. Том 19
Энциклопедия русской Мысли. Том 18
Энциклопедия русской Мысли. Том 16
Энциклопедия русской Мысли. Том 15
Энциклопедия Русской Мысли. Том 14
Энциклопедия Русской Мысли. Том XIII
Украинская секция Русского Физического Общества
Санкт-Петербургская секция Русского Физического Общества
Иркутская секция Русского Физического Общества
Новосибирская секция Русского Физического Общества
Катрен 12. ГМО - ГЕНОФАШИЗМ
Водородное топливо Юрия Краснова
Алиев А.С. Российская астрономия. Часть 2. - 2011г.
Жигалов В.А. Уничтожение торсинных исследований в России
ЭРМ 12: Колесников И.В. Природа глобальных катаклизмов. - 2010 г.
Алиев А.С. Российская астрономия. - 2010 г.
Открытое Заявление Президента Русского Физического Общества Родионова В.Г. Президенту Российской Федерации Медведеву Д.А.
ЭРМ 11: Оше А.И. Поиск единства законов природы (Инварианты в природе и их природа). - 2010 г.
ЭРМ 10: Петракович Г.Н. Биополе без тайн. Сборник научных работ. - 2009 г.
ЭРМ 1: Гриневич Г.С. Праславянская письменность. Результаты дешифровки. Том 1. - 1993 г.
ЭРМ 6: Хачатуров Е.Н. Элиминация значительной части ДНК... - 1995 г.
ЭРМ 3: Иванов Ю.Н., Иванова Н.М. Жизнь по интуиции. - 1994 г.
ЭРМ 4: Гудзь-Марков А.В. Индоевропейская история Евразии. Происхождение славянского мира. - 1994 г.
Два открытия
Официальный доклад Аполлон-11. Лунные карты составлены безграмотно
Ральф Рене. Как NASA показало Америке Луну
НЛО: соседи по Солнцу.16.05.2011
Бутусов. Раджа Солнце. Глория. 9.01.2012
Катрен 18. Технология спаивания
Фильм С. Веретенникова
Энциклопедия русской Мысли. Том 17

Ссылки:

rodionov@rusphysics.ru - ПОЧТОВЫЙ ЯЩИК РЕДАКЦИИ ЖУРНАЛА "ЖУРНАЛ РУССКОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МЫСЛИ"
Главный редактор Родионов В.Г.
Денежные пожертвования направлять в Сбербанк РФ на карточку № 63900240 9014875013.


Rambler's Top100