Наука и жизнь // Иллюстрации

    Турбулентность изучают уже около ста лет первые научные результаты начинают появляться в восьмидесятых годах прошлого века. Этой проблеме посвятили свои усилия многие выдающиеся ученые, ею и сегодня занимаются громадные научные коллективы. И, несмотря на это, здесь еще много нерешенного.

     Поле теоретических воззрений на проблему турбулентности необычайно широко - таким оно, и предстало, например, на последнем, XIII конгрессе по теоретической и прикладной механике (Москва, август 1972 года). Это многообразие свидетельствует о том, что современная наука имеет возможность подходить к проблеме турбулентности с разных точек зрения, освещая разные аспекты этой проблемы. Наука стремится ответить на наиболее насущные вопросы происхождения турбулентности, ее структуры, и тех общих закономерностей, знание которых позволит давать точные рекомендации практикам.

     Чтобы вникнуть в суть различных подходов к решению проблемы турбулентности, совершим небольшой экскурс в историю гидродинамики.

     Еще в конце XVIII века Леонард Эйлер вывел уравнения движения жидкости, пренебрегая ее вязкостью. Уравнения движения вязкой жидкости, так называемые уравнения Навье - Стокса, были получены полвека спустя.

     Если из этих уравнений наряду со скоростью и давлением надо определить вязкость, то мы оказываемся в сложной ситуации; число неизвестных превышает число уравнений. (Именно таково положение с уравнениями, описывающими турбулентное движение, - эта система уравнений не замкнута, и потому не имеет однозначного решения.) Можно попытаться вычислить вязкость жидкости, рассматривая движение отдельных молекул и их взаимные столкновения. Но для этого должна быть построена модель частиц, которые соударяются, принята, какая-то схема соударений - двойных, тройных, множественных. А, что делать, если такие модели мы пока не можем построить? Идти путем, давно принятым в гидродинамике исходить из экспериментальных данных, определять вязкость опытным путем для каждой жидкости.

     Может быть, нам не надо сетовать на то, что, и в теории турбулентности, построенной таким же образом, появится несколько констант, которые придется находить из опыта, если их будет не слишком много. Кстати сказать, именно так и идет развитие многих областей физики. Например, элементарные частицы изучаются не путем поимки, и измерения отдельных частиц, а исследуются интегральные эффекты, и по интегральным характеристикам вещества судят о его микроструктуре.

     Мне кажется, и в проблеме турбулентности следует более внимательно посмотреть, не вытекает ли возможность построить модель течения из тех измерений, когда изучаются не корреляции (связи) между теми или иными величинами в одной или нескольких соседних точках, а распределение осредненных скоростей, не пульсации, а интегральный коэффициент сопротивления.

     Во время конгресса механиков, который я уже упоминал, была проведена пресс-конференция по проблеме турбулентности. Там был, в частности, задан вопрос, а не настало ли время, когда для решения проблемы турбулентности вполне достаточно опытных данных и нет необходимости накапливать далее экспериментальные материалы? Я отвечу на этот вопрос следующим образом. Прежде всего никогда не следует отделять теорию от эксперимента. Никакая теория не идет от чистого разума. Наука всегда экспериментальна. Мы, как-то обсуждали с известным физиком, профессором Альвеном, вопрос, каждая ли наука экспериментальна. И он весьма остроумно заметил «Я знаю только одну не экспериментальную «науку» - это теология. Все остальные науки - экспериментальные». По-моему, пока будет развиваться учение о турбулентности, его будут питать два источника - теория, и эксперимент. И действовать они будут по схеме «пуш-пул», «тяни-толкай» то будет опережать теория, то эксперимент, но это два совершенно необходимых, и органически связанных начала любой подлинной науки, в том числе, и науки о турбулентности.

     Можно точно указать области этой проблемы, которые требуют проведения экспериментальных работ, и притом очень серьезных. Я бы даже сказал, что всегда нужно иметь больший экспериментальный задел, и в настоящее время наука о турбулентности очень серьезно нуждается в нем.

     Мы сталкиваемся с большими трудностями в изучении турбулентных явлений. Но перед техникой стоят вопросы, и на эти вопросы надо отвечать. Поэтому ведется большая экспериментальная работа. И, невидимому, надо не только искать чисто теоретические пути решения проблемы, но, и своевременно подхватывать экспериментальные результаты, пытаться извлечь из них нужную для техники информацию.

     Мы многое уже начали понимать. Можем давать определенные рекомендации инженерам-гидравликам. Но даже и в вопросах гидравлики, например, в вопросах, связанных с сопротивлением шероховатых труб, еще остаются проблемы, которые надо дополнительно обследовать, и экспериментально, и теоретически. Без этого мы не можем удовлетворить запросы практиков, которым приходится проводить все более, и более тонкие расчеты сопротивления, расчеты по тепло и массообмену. Причем требования новой техники к точности, надежности таких расчетов становятся жестче, и жестче.

     Расчеты по тепло и массообмену - это очень важная для современной техники проблема. Положение до последнего времени было таким, что приходилось пользоваться одной формулой для расчета теплообмена на стенке трубы, по которой протекает жидкий металл, другой формулой - для случая, когда по трубе протекает смазочное масло, третьей - когда в трубе воздух. Иногда удавалось охватить одной формулой несколько веществ - скажем, от смазочного масла до нефти.

     Сейчас, мне кажется, появилась возможность (соответствующие результаты наших работ уже опубликованы) рассчитывать подобные процессы по одной формуле для всех жидкостей, начиная от электролитов, и кончая жидкими металлами.

     В расчетах по нашей формуле не пользуются ни одной константой, полученной из теплового эксперимента, а только опытными константами, найденными из гидравлического эксперимента. Это справедливо в тех случаях, когда тепломассообмен увеличивается в точном соответствии с тем, насколько повышается сопротивление, но не больше, то есть турбулизация потока никакого дополнительного эффекта не привносит. Простые и достаточно надежные расчеты показывают, как можно интенсифицировать тепло, и массообмен с помощью специальных перемешивающих устройств.

     Мне кажется, эти методы станут существенным подспорьем инженерам, и всем тем, кто заинтересован в понимании процессов обмена.

№3, 1973