УДК 532.528(527)

Кавитационный пузырь в вязкой тяжелой жидкости

В.Н.Родионов

Институт динамики геосфер РАН, 117334 Москва

Изобретение кумулятивного снаряда стало важным событием в военном деле, качественно изменив представления о поражении бронированных машин. Однако более значимым для науки и техники оказались гидродинамические модели, разъясняющие процесс формирования струи при обжатии конической металлической оболочки взрывом и механизм внедрения струи в броневую плиту.

Эти модели были предложены М.А.Лаврентьевым в том ясном и наглядном виде, который отличает все классические модели Естествознания. Отправляясь от классических моделей, ассоциативное мышление рождает образы, которые в разнообразных ситуациях помогают исследованию природных явлений. Все естествоиспытатели сознательно или бессознательно ищут в природе нечто, рожденное их воображением. Примером научного поиска физического объекта, который возник в воображении Г.В.Белякова под влиянием моделей М.А.Лаврентьева, могут служить опыты по созданию кавитационного пузыря в вязкой тяжелой жидкости.

Г.В.Беляков предположил, что быстрая короткая струя при внедрении в жидкость, находящуюся под давлением, образует в ней каверну, которая схлопывается в тыльной части с образованием струи. Если скорость струи и ее толщина будут не слишком отличаться от таковых первоначальной струи, то возникший пузырь сможет автономно существовать и двигаться, не вызывая в жидкости возмущений. Поисковый эксперимент увенчался успехом: действительно в некоторых опытах возникал быстро движущийся кавитационный вихрь [1].

Для отыскания условий возникновения пустого пузыря в неподвижной жидкости при внедрении в нее струи была создана лабораторная установка. Вертикально поставленная труба длиной 50 см, с внутренним диаметром 11 см, торцы которой были закрыты крышками, имела вблизи дна сопло, а в верхней крышке – патрубок для откачки воздуха. Жидкость заполняла часть объема до заданного уровня над соплом. Струя выталкивалась через сопло поршнем под действием сжатой пружины. Длину, диаметр и скорость струи можно было менять от опыта к опыту. Оптическая регистрация пузыря велась через два длинных окна, расположенных напротив друг друга вдоль трубы. Одно окно, шириной 2,5 см, освещалось рассеянным светом, через другое, шириной 3,5см, производилась киносъемка. На чертеже изображено рабочее пространство установки. (В центральной части, в разрывах показано поперечное сечение).

Представим условия и результаты одного опыта.

Глицерин (плотность 1,26 г/см³; вязкость 20 г/см·с) заполнял трубу до уровня 15 см над соплом. Струя диаметром 1 см и длиной 2,5 см выстреливалась со скоростью 4,5 м/с. Давление газа над поверхностью глицерина ~ 10^-4 атм. Киносъемка производилась с частотой 100 кадр/с.

На рис. изображена устойчивая форма кавитационного пузыря, всплывающего в тяжелой жидкости. Измерялись координаты и скорости вершины (V₁) и тыльной поверхности пузыря (V₂). Эти данные представлены в таблице. Измерить на фотографиях диаметр струи не удается, т.к. преломление световых лучей пузыря приводит к искажению размеров струи и предметов, находящихся за пузырем. Внешние контуры самого пузыря на фоне освещенного окна не искажены.

Представленная экспериментальная установка позволяет изменять все те параметры, которые нужно согласовать между собой, чтобы возник и некоторое время мог автономно существовать кавитационный пузырь. Результаты опыта доказывают реальность подобных объектов.

Энергия пузыря пропорциональна произведению его объема и давления в окружающей жидкости. При постоянной энергии объем пузыря изменяется обратно пропорционально давлению в жидкости. Сопротивление движению пузыря обусловлено вязкостью жидкости, которая проявляет себя, главным образом, в локальных зонах головной и тыльной части пузыря. Вследствие этого потери энергии пузырем существенно меньше потерь обтекаемым твердым телом того же размера.

Всплывая в поле тяжести, пузырь может увеличить свою энергию, если будут перекрыты ее потери. Аналогично будет увеличиваться энергия пузыря и при движении в направлении ускоренного перемещения сосуда с жидкостью. Потеряв энергию, пузырь перестает существовать.

При благоприятных условиях пузырь может пройти большой путь и перенести с собой некоторое количество вещества инициирующей струи, т.к. вещественный обмен пузыря с окружающей жидкостью весьма ограничен.

Представленные результаты опыта демонстрируют формирование и автономное движение кавитационного пузыря в пространстве лабораторной установки. Механический образ пузыря достаточно ясен для построения моделей и детального теоретического их исследования. Этот образ может воплотиться в разных природных явлениях и в разных средах. Значение его для Естествознания в том, что он, как и другие образы, внушаемые просвещением, помогают нам видеть в окружающем мире знакомые явления и обнаруживать еще непознанные.

Список литературы:

Садовский М. А., Родионов В. Н., Беляков Г. В. О механике возникновения кавитационного вихря//ДАН. 1992. Т. 325, №1. С.42-45.

Таблица