ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО ВИХРЕВЫМ КОЛЬЦАМ
Образование закрученных колец очаровывало научное сообщество ещё более века назад, начиная с Уильяма Бартона Роджерса, который проводил наблюдения за процессом образования воздушных закрученных колец в воздухе, воздушных колец в жидкостях и жидких колец в жидкостях. В частности, Уильям Бартон Роджерс использовал простой экспериментальный метод, позволив капле жидкости упасть на свободную поверхность жидкости. Падающая цветная капля жидкости, такая как молоко или окрашенная вода, неизбежно образует вихревое кольцо на границе раздела из-за поверхностного натяжения.
На школьных уроках физики проводились демонстрации образования устойчивых тороидальных вихрей в воздухе. Для этого используется Ящик Вуда. Представляет собой простой ящик любой формы с круглым отверстием с одной стороны и резиновой мембраной с противоположной стороны. Устройство настолько простое и эффектное, что есть практически во многих школьных кабинетах физики.
Принцип работы достаточно прост. При ударе по мембране, сообщается некоторая линейная скорость прилегающему к мембране слою воздуха. Придя в движение, этот слой уплотняет соседние слои и так далее. Когда уплотнение дойдет до диафрагмы, воздух вырвется из отверстия, приведет в движение ранее покоившийся воздух и благодаря силам вязкого трения — закрутится в дымовое кольцо. Таким образом вихревое кольцо образуется благодаря трению с атмосферным воздухом. Для визуализации закрученного кольца, ящик заполняют дымом.
Вихревой тороида, полученный таким способом является интересным объектом для наблюдения и прикладного использования, о чём будет заявлено ниже.
ТИПЫ ЗАКРУЧЕННЫХ КОЛЕЦ (ТОРОИДОВ)
Все вихревые кольца (тороиды) по способу формирования и распространения можно разделить на 3 типа.
- Классический (прямой) вихревой тороид, см. рис. № 10.16.1. При распространении само выворачивается строго наружу оси распространения.
Рис. № 10.16.1 Классический (прямой) вихревой тороид.
2. Обратный вихревой тороид, см. рис. № 10.16.2. При распространении само выворачивается вовнутрь оси распространения.
Рис. № 10.16.2. Обратный вихревой тороид.
3. Обратный ротационный вихревой тороид, см. рис. № 10.16.3. При распространении само выворачивается вовнутрь оси распространения и имеет дополнительную крутку (ротацию) вокруг оси распространения.
Рис. № 10.16.3. Обратный ротационный вихревой тороид.
Рассмотрим каждый из 3-х типов более подробно:
ПРЯМОЙ ВИХРЕВОЙ ТОРОИД (КЛАССИЧЕСКИЙ), ОСОБЕННОСТИ И СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ.
Классический (прямой) вихревой тороид известен давно.
При распространении, вихревой тороид само выворачивается строго наружу от оси распространения, согласно рис. № 10.16.4.
Рис. № 10.16.4. Классический (прямой) вихревой тороид.
Вихревое кольцо образуется из первичного вихре образующего линейно, распространяющегося потока благодаря трению с атмосферным воздухом.
Классический вихревой тороид (кольцо) с само выворачиванием во внутрь по ходу распространения — формируется снаружи первичного вихре образующего потока согласно временной диаграммы рис. № 10.16.5.
Рис. № 10.16.5. Временная диаграмма формирования вихревого кольца.
Где:
t1 — время распространения отдельного первичного вихре образующего потока.
На временной диаграмме противонаправления трения об атмосферный воздух не показаны.
Синим цветом показано изменение (поворот) направления эжекции окружающего воздуха к оси распространения, на основании которого движущееся линейно вихревое кольцо (тороид) — является объёмным, бес корпусным вихревым насосом.
Вихревое кольцо (тороид) в этом случае можно сравнить с поршнем насоса, а неподвижный объём воздуха вокруг бублика при движении последнего — с цилиндром. При линейном движении кольцо с обратной стороны затягивает (всасывает) окружающий воздух к оси движения. Следующее вихревое кольцо выносит затянутый воздух к оси движения после предыдущего кольца. Об этом эффекте более подробно заявлено в следующей публикации: Тороидально-вихревой способ очистки помещений от взвесей и потенциально опасных веществ или тороидально вихревой бес корпусный объёмный вихревой насос.
Таким образом, согласно представленной выше временной диаграммы формирования тороида, время распространения отдельного первичного вихре образующего потока обеспечивает следующие условия, которые заключается в следующем:
- за волновым фронтом должна следовать область разряжения.
- Расширения волнового фронта на выходе диафрагмы не должно быть.
Временные характеристики распространения вихре образующего волнового фронта воздушного потока являются ключевыми для формирования полноценного закрученного тороида и зависят от:
— диаметра выходной диафрагмы.
— скорости распространения вихре образующего потока на выходе из диафрагмы .
— расстояния от первоисточника волнового фронта до выходной диафрагмы. Этим обеспечивается линейное распространение волнового фронта вдоль оси распространения сразу за диафрагмой, без расширений.
С увеличением скоростных характеристик (энергетики) первичного вихре образующего потока, время его распространения должно пропорционально уменьшаться.
Курильщики на интуитивном уровне регулируют это время, чтобы трение с окружающим воздухом способствовало формированию полноценного закрученного кольца.
Геометрия ящика Вуда и энергетика импульса первичного вихре образующего потока в школьном эксперименте подтверждают заявленное. Если в Ящике Вуда увеличить время распространения вихре образующего потока, то закрученного кольца просто не будет.
Это подтверждается экспериментами с оружием при срабатывании холостого патрона, см. рис. № 10.16.6.
Рис. № 10.16.6. Вихревое кольцо не формируется. Временные характеристики распространения кольце образующего потока являются ключевыми для формирования вихревого тороида.
Энергетика холостого патрона чрезвычайно велика для диаметра ствола и его длинны. Холостой патрон, при срабатывании, не может сформировать полноценное вихревое кольцо. На выходе ствола формируется скоростной, сферически расширяющийся поток газов внешним диаметром, на много большим диаметра ствола пистолета.
Достаточно длинная пограничная область трения (время истечения пороховых газов) между пороховыми газами и окружающим воздухом препятствует формированию закрученного кольца. Вихревое кольцо за счёт достаточно длинной пограничной области уже не может сформироваться.
ОБРАТНЫЙ ВИХРЕВОЙ ТОРОИД, ОСОБЕННОСТИ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ.
При распространении обратный вихревой тороид само выворачивается вовнутрь к оси распространения, согласно рис. № 10.16.7.
Рис. № 10.16.7. Обратный вихревой тороид.
Обратный вихревой тороид имеет следующие особенности формирования и распространения.
1. Сформированное вихревое кольцо переносит энергетику его образования на достаточно значительные расстояния.
2. При линейном распространении за вихревым кольцом формируется область пониженного давления, в которую затягивает (всасывает) окружающий воздух .
3. При линейном распространении вихревой тороид имеет только одну, строго аксиальную крутку внутрь к оси распространения. Можно сказать, что вихревой тороид само выворачивается строго по ходу линейного движения.
4. В момент формирования тороида визуализируется «ядерный гриб».
5. Вихревой тороид формируется только в импульсном режиме. Для этого необходим импульсный источник мощного воздушного потока.
6. Вихревой тороид образуется благодаря трению с атмосферным воздухом т.е. за счёт перепада давлений в приграничной области.
На основании многочисленных экспериментов с противоточными течениями [1] Экспериментальные исследования взаимодействия закрученных течений в противотоке предлагается новая технология формирования закрученного тороида с само выворачиванием во внутрь к оси распространения .
Это может быть достигнуто следующим образом. Перед диафрагмой формирования классического закрученного кольца необходимо установить противоточное сопло, согласно рис. № 10.16.8.
Рис. № 10.16.8. Схема формирования обратного вихревого кольца (тороида).
Противопоток из сопла под действием встречного первичного вихре образующего потока из диафрагмы разворачивается и образует осе симметричный газодинамический купол. Обладая определенной упругостью, газодинамический купол в передней его части является препятствием по отношению ко встречному потоку. В результате уже не отрывного обтекания потоком, за этим препятствием образуется вихревая зона обратных токов к приосевой части.
Такая конструкция в практическом плане формирует тороидальное вихревое кольцо с аксиальной круткой во внутрь движения. Можно сказать, что в этом случае вихревой тороид само выворачивается уже внутрь к оси линейного движения .
Расстояние между диафрагмой и противопоточным завихрителем зависит от скоростных и объёмных характеристик первичного формирующего потока из диафрагмы и вторичного противопоточного сопла. Такие оценочные величины представлены в статье [1] Экспериментальные исследования взаимодействия закрученных течений в противотоке по вихревым противотечениям.
ОБРАТНЫЙ РОТАЦИОННЫЙ ВИХРЕВОЙ ТОРОИД, ОСОБЕННОСТИ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ.
При распространении такой вихревой тороид само выворачивается вовнутрь оси распространения и имеет дополнительную крутку вокруг оси распространения, согласно рис. № 10.16.9.
Рис. № 10.16.9. Обратный ротационный вихревой тороид.
Обратный ротационный вихревой тороид имеет следующие особенности формирования и распространения.
1. Сформированное вихревое кольцо переносит энергетику его образования на достаточно значительные расстояния.
2. При линейном распространении за вихревым кольцом формируется область пониженного давления, в которую затягивает (всасывает) окружающий воздух .
3. При линейном распространении вихревой тороид имеет одну, строго аксиальную крутку внутрь к оси распространения и одну крутку вокруг оси распространения. Можно сказать, что вихревой тороид само выворачивается строго по ходу линейного движения с одновременной ротацией вокруг оси движения.
4. В момент формирования тороида визуализируется «ядерный гриб».
5. Вихревой тороид формируется только в импульсном режиме. Для этого необходим импульсный источник мощного воздушного потока.
6. Вихревой тороид образуется благодаря трению с атмосферным воздухом т.е. за счёт перепада давлений в приграничной области.
На основании многочисленных экспериментов с противоточными течениями [1] Экспериментальные исследования взаимодействия закрученных течений в противотоке предлагается новая технология формирования закрученного тороида с само выворачиванием во внутрь к оси распространения и одновременной круткой вокруг самой оси распространения.
Это может быть достигнуто следующим образом. Перед диафрагмой формирования классического закрученного кольца необходимо установить противоточное сопло с встроенным завихрителем, согласно рис. № 9.16.10.
Рис. № 9.16.10. Пртивопоточное сопло завихритель-формирователь
обратного ротационного вихревого кольца.
Формирование обратного ротационного закрученного кольца в этом случае наглядно показано на рис. № 9.16.11.
Рис. № 9.16.11. Схема реализации способа формирования
обратного ротационного вихревого тороида
Закрученное течение из сопла под действием встречного вихре образующего потока из диафрагмы разворачивается и образует вихревой осе симметричный газодинамический купол. Обладая определенной упругостью, вихревой газодинамический купол в передней его части является препятствием по отношению ко встречному потоку. В результате уже не отрывного обтекания потоком, за этим препятствием образуется вихревая зона обратных токов в приосевой части.
Такая конструкция в практическом плане формирует тороидальное вихревое кольцо с аксиальной круткой уже вовнутрь движения с одновременным радиальным вращением. Можно сказать, что в этом случае вихревой тороид само выворачивается уже внутрь оси линейного движения с одновременной круткой вдоль оси распространения.
Здесь уместна аналогия со штопором, который при линейном движении “врезается” в пространство и более эффективно переносит энергетику закрученного кольца на большие расстояния по сравнению с классическими вихревым тороидом.
Расстояние между диафрагмой и вихревым противопоточным завихрителем зависит от скоростных и объёмных характеристик первичного формирующего потока из диафрагмы и вторичного закрученного противопотока. Такие оценочные характеристики более подробно изложены в статье [1] Экспериментальные исследования взаимодействия закрученных течений в противотоке по вихревым противотечениям.
Визуализация обратного ротационного вихревого кольца представлена на рис. № 9.16.12.
Рис. № 9.16.12. Визуализация формирования обратного ротационного вихревого кольца.
На представленном фото визуализируется формирование противопоточного газодинамического купола и закрученного тороидального кольца. Тороид, закручивается внутрь к оси по ходу распространения и сформирован не снаружи первичного вихре образующего потока, как в классическом случае, а внутри него.
ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАКРУЧЕННЫХ КОЛЕЦ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ.
1. В настоящее время в практическом плане вихревые кольца используются для покрытия снежным покровом горнолыжных трасс. Они поднимают на значительную высоту искусственный снег, который затем, падая, покрывает горнолыжную трассу.
2. На базе принципа формирования классических закрученных колец предлагаются детские игрушки, стреляющие вихревыми кольцами.
3. Вихревые кольца (тороиды) используются для доставки слезоточивого газа на большие расстояния для целей, например, разгона демонстраций.
4. Предлагается технология вывода дымовых газов промышленного производства на большие высоты атмосферы. Торидально-вхревой способ транспортировки дымовых газов промышленного производства в верхние слои атмосферы.
5. В качестве оружия рассматривается возможность доставки горючих газов на большие расстояния и площади с последующим поджогом.
6. Вихревые кольца могут доставлять реагенты для разгона облаков или наоборот, вызов дождей над определёнными территориями.
7. Энергетика механического воздействия на препятствие закрученного кольца позволяет эффективно очищать, например, бункеры или вагоны и т.п. от остатков насыпных грузов. Тороидально — вихревой способ очистки вагонов подвижного состава от остатков насыпного или кускового груза.
8. Энергетика механического воздействия на препятствие закрученного кольца позволяет проводить дистанционное разминирование площадей от противопехотных мин по типу “лепесток”. Детонационно-вихревая пушка дистанционного подрыва противопехотных мин.
9. Особенностью движения закрученного кольца является тот факт, что оно при движении затягивает (всасывает) окружающий воздух, осуществляя тем самым эффективную очистку больших территорий от потенциально опасных взвесей и т.п. Троидально-вихревой способ очистки помещений от взвесей и потенциально опасных веществ.
10. Почти неизменное давление воздуха внутри закрученного тороида при распространении на небольшие расстояния позволяет проводить дистанционно измерения геометрических размеров объектов на таких расстояниях. Тороидально-вихревой способ измерения толщины покрытия стального листа.
ВЫВОД
Вихревое кольцо (тороид) в любом случае образуется из первичного вихре образующего линейно, распространяющегося потока благодаря трению с атмосферным воздухом.
Из этого условия накладываются следующие ограничения:
— время распространения первичного вихре образующего потока, чтобы за волновым фронтом сразу следовала область разряжения.
— расширения волнового фронта на выходе диафрагмы не должно быть.
Временные характеристики распространения вихре образующего волнового фронта воздушного потока являются ключевыми для формирования полноценного закрученного тороида и зависят от:
— диаметра выходной диафрагмы.
— скорости распространения вихре образующего потока на выходе из диафрагмы .
— расстояния от первоисточника волнового фронта до выходной диафрагмы. Этим обеспечивается линейное распространение волнового фронта вдоль оси распространения сразу за диафрагмой, без расширений.
С увеличением скоростных характеристик (энергетики) первичного вихре образующего потока, время его распространения должно пропорционально уменьшаться.
При этом, на основании многочисленных экспериментов установлено, что направление крутки и линейная ротация закрученного тороида в энергетическом плане имеют первостепенное значение.
Таким образом, предложенный способ образования обратного ротационного закрученного тороида имеет максимально возможную энергетику.
Такая тороидальная структура в энергетическом плане наиболее эффективна по сравнению с классическим (прямым) вихревым тороидом.
Дополнительный вихревой ввод различных газообразных субстанций в противоток основному первичному вихре образующему потоку, позволяет концентрировать его строго во всём объёме закрученного тороида и доставлять на значительные расстояния .