RU2305869C2 - Method of demonstration of vortex resonance at spin-up and registering electrode - Google Patents
Method of demonstration of vortex resonance at spin-up and registering electrode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2305869C2 RU2305869C2 RU2006105727/28A RU2006105727A RU2305869C2 RU 2305869 C2 RU2305869 C2 RU 2305869C2 RU 2006105727/28 A RU2006105727/28 A RU 2006105727/28A RU 2006105727 A RU2006105727 A RU 2006105727A RU 2305869 C2 RU2305869 C2 RU 2305869C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotation
- tank
- current
- reservoir
- recording electrode
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 59
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 36
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 65
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 11
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 9
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 7
- 230000008719 thickening Effects 0.000 claims description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 claims description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 18
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 15
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 13
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 3
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 108010036050 human cationic antimicrobial protein 57 Proteins 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000005654 stationary process Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Printers Or Recording Devices Using Electromagnetic And Radiation Means (AREA)
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидродинамики и может быть использовано в качестве наглядного пособия при изучении переходных процессов во вращающейся жидкости.The invention relates to the field of hydrodynamics and can be used as a visual aid in the study of transients in a rotating fluid.
Спинап (spin-up) определен как процесс установления стационарного вращения жидкости (Гринспен X. Теория вращающихся жидкостей, Москва, Гидрометеоиздат, 1975, с.36).Spin-up is defined as the process of establishing stationary rotation of a fluid (Greenspan X. Theory of rotating fluids, Moscow, Gidrometeoizdat, 1975, p. 36).
Известен способ демонстрации спинапа, включающий образование взвеси алюминиевого порошка в жидкости, импульсное приведение прозрачного цилиндрического резервуара с этой жидкостью во вращение с постоянной угловой скоростью вокруг оси симметрии резервуара, освещение резервуара щелевым источником света и фотографическую регистрацию фронта вращения жидкости в проходящем свете (там же, с.10).There is a method of demonstrating spinap, including the suspension of aluminum powder in a liquid, pulsating a transparent cylindrical tank with this liquid into rotation with a constant angular velocity around the axis of symmetry of the tank, illuminating the tank with a slit light source, and photographing the front of rotation of the liquid in transmitted light (ibid., p.10).
Описано также исследование спинапа путем визуального наблюдения за взвешенными в жидкости частицами (E.H.Wedemeyer, J. of Fluid Mechanics, 1964, vol.20, p.383-399).The study of spinap is also described by visual observation of particles suspended in a liquid (E.H. Wedemeyer, J. of Fluid Mechanics, 1964, vol. 20, p. 383-399).
В варианте известного способа регистрацию фронта вращения жидкости производят путем лазерного облучения стратифицированной жидкости в виде концентрированного раствора соли, плотность которого меняется по высоте цилиндрического резервуара (J.B.Flor, M.Ungarish, J.W.M.Bush, J. of Fluid Mechanics, 2002, vol.472, p.51-82).In an embodiment of the known method, the front of rotation of a liquid is recorded by laser irradiation of a stratified fluid in the form of a concentrated salt solution, the density of which varies along the height of a cylindrical tank (JBFlor, M.Ungarish, JWMBush, J. of Fluid Mechanics, 2002, vol. 472, p. 51-82).
Резонансные явления при спинапе до сих пор не описаны в литературе, так как не доступны наблюдению известными способами.Resonance phenomena during spinup are still not described in the literature, since they are not accessible to observation by known methods.
Внешним воздействием при спинапе является ступенчатый импульс вращения резервуара, а реакцией наблюдаемой системы - постепенное раскручивание жидкости до состояния твердотельного вращения, при котором все части жидкости приобретают угловую скорость резервуара. За это время резервуар совершает десятки оборотов.The external influence during spin is a stepwise pulse of rotation of the tank, and the reaction of the observed system is the gradual unwinding of the liquid to the state of solid state rotation, in which all parts of the liquid acquire the angular velocity of the tank. During this time, the tank makes dozens of revolutions.
В отличие от известных способов предложенный способ позволяет обнаружить вихрь, ось которого опережает жидкость и по угловой скорости близка к резервуару вплоть до синхронного вращения с ним. Близость угловых скоростей оси вихря и резервуара с возможностью точного равенства этих скоростей дает основание определить обнаруженное явление как вихревой резонанс. Вихрь нарушает осевую симметрию вращения жидкости.In contrast to the known methods, the proposed method allows to detect a vortex, the axis of which is ahead of the liquid and in angular velocity is close to the reservoir until synchronous rotation with it. The proximity of the angular velocities of the axis of the vortex and the reservoir with the possibility of an exact equality of these velocities allows us to define the detected phenomenon as vortex resonance. The vortex violates the axial symmetry of the fluid rotation.
Парадоксальность обнаруженного явления состоит в том, что вихрь как целое перемещается синхронно с круглым резервуаром, не имеющим существенных дефектов. Условия опыта исключают тривиальное механическое зацепление вихря.The paradox of the discovered phenomenon is that the vortex as a whole moves synchronously with a round tank that does not have significant defects. The experimental conditions exclude the trivial mechanical engagement of the vortex.
Наряду с точным резонансом наблюдаются также относительно малые отклонения от него, при которых вихрь медленно скользит вдоль стенки резервуара, что дополнительно указывает на отсутствие сцепления со стенкой. Из опытов следует, что вихревой резонанс является свойством течения жидкости в резервуаре с идеальной формой тела вращения. Он возникает в определенном интервале условий, характерном, в частности, для планет с твердыми ядрами в жидкой среде.Along with the exact resonance, relatively small deviations from it are also observed, in which the vortex slowly slides along the tank wall, which additionally indicates the absence of adhesion to the wall. From experiments it follows that vortex resonance is a property of fluid flow in a reservoir with an ideal shape of a body of revolution. It occurs in a certain range of conditions, characteristic, in particular, for planets with solid nuclei in a liquid medium.
Необычность и практическое значение вихревого резонанса делают целесообразным создать для него благоприятные условия и осуществить его наглядную демонстрацию как отдельного явления. Техническим результатом данного изобретения является совместное решение этих двух задач.The unusual and practical significance of the vortex resonance makes it expedient to create favorable conditions for it and to carry out its visual demonstration as a separate phenomenon. The technical result of this invention is a joint solution to these two problems.
Указанный технический результат достигается тем, что растворяют в жидкости окислительно-восстановительную систему, заливают жидкость в резервуар, имеющий форму тела вращения с вертикальной осью симметрии, погружают в жидкость регистрирующий электрод и превосходящий его по активной площади вспомогательный электрод, подключают эти электроды к противоположным полюсам источника постоянного напряжения, закрепляют регистрирующий электрод независимо от резервуара, совершают импульсный пуск резервуара во вращение с постоянной угловой скоростью, измеряют электрический ток через регистрирующий электрод как функцию времени, начало подъема тока используют как признак прихода фронта вращения жидкости от стенки резервуара к месту расположения регистрирующего электрода, измеряют время задержки подъема тока от начала вращения резервуара, по измеренному времени задержки судят о радиальной скорости фронта вращения жидкости, периодическое нарушение монотонности роста тока со временем, имеющее форму колебаний тока, представляют как признак осевой асимметрии течения за счет образования противоположно направленных вихрей, опережающих в своем движении вращение жидкости, сравнивают период колебаний тока с периодом вращения резервуара, а совпадение этих периодов интерпретируют как резонанс с локализацией вихрей во вращающейся с резервуаром системе координат,The specified technical result is achieved by dissolving the redox system in the liquid, pouring the liquid into the tank, which has the form of a body of revolution with a vertical axis of symmetry, immersing the recording electrode and an auxiliary electrode that exceeds its active area, and connecting these electrodes to the opposite poles of the source DC voltage, fix the recording electrode independently of the tank, pulse start the tank in rotation with a constant angular velocity By measuring the electric current through the recording electrode as a function of time, the beginning of the current rise is used as a sign of the arrival of the front of rotation of the liquid from the tank wall to the location of the recording electrode, the delay time of the current rise from the beginning of the rotation of the tank is measured, the radial velocity of the front is measured by the measured delay time fluid rotation, a periodic violation of the monotonicity of current growth over time, having the form of current oscillations, is presented as a sign of axial asymmetry of the flow due to the formation of oppositely directed vortices, ahead of the rotation of the liquid, compare the period of current oscillations with the period of rotation of the tank, and the coincidence of these periods is interpreted as resonance with the localization of the vortices in the coordinate system rotating with the tank,
Период колебаний тока измеряют как минимальный интервал времени между аналогичными по форме экстремумами тока, а признаком совпадения периода колебаний тока с периодом вращения резервуара считают ограничение их разности сверху величиной, составляющей 20% от периода вращения резервуара.The period of current fluctuations is measured as the minimum time interval between similar current extremes in form, and the sign of the coincidence of the period of current fluctuations with the period of rotation of the tank is considered to be the limitation of their difference from above by a value of 20% of the period of rotation of the tank.
Число вихрей в горизонтальной плоскости, проходящей через активную часть регистрирующего электрода, определяют по числу экстремумов тока за один период колебаний тока. Направление циркуляции жидкости в вихре относительно направления вращения резервуара определяют по виду экстремума, причем максимум и минимум тока соответствуют попутному (с совпадением указанных направлений) и встречному (с противоположностью направлений) вихрям.The number of vortices in the horizontal plane passing through the active part of the recording electrode is determined by the number of current extremes for one period of current oscillations. The direction of fluid circulation in the vortex relative to the direction of rotation of the reservoir is determined by the form of the extremum, and the maximum and minimum currents correspond to the associated (with the coincidence of the indicated directions) and counter (with the opposite directions) vortices.
Под циркуляцией жидкости в вихре подразумевается собственное вращение вихря - его вклад в общее движение жидкости в резервуаре. Вихри формируют асимметричную компоненту движения жидкости, которая накладывается на симметричное вращение.The circulation of a fluid in a vortex means its own rotation of the vortex - its contribution to the total movement of the fluid in the reservoir. Vortices form an asymmetric component of fluid motion, which is superimposed on symmetric rotation.
Взаимное положение осей вихрей в горизонтальной плоскости, проходящей через активную часть регистрирующего электрода, определяют по отношению длительностей подъема и спада тока между экстремумами.The mutual position of the axis of the vortices in the horizontal plane passing through the active part of the recording electrode is determined by the ratio of the duration of the rise and fall of the current between the extrema.
Используют резервуар со сферической стенкой, при этом активную часть регистрирующего электрода располагают на уровне наибольшего по диаметру сечения резервуара, совпадающего с экваториальной плоскостью.A tank with a spherical wall is used, while the active part of the recording electrode is placed at the level of the largest diameter section of the tank, which coincides with the equatorial plane.
Активную часть регистрирующего электрода выполняют в виде пластины с плоской или цилиндрической поверхностью и ориентируют эту пластину параллельно оси симметрии резервуара. Вращение резервуара осуществляют последовательно в двух противоположных направлениях.The active part of the recording electrode is made in the form of a plate with a flat or cylindrical surface and this plate is oriented parallel to the axis of symmetry of the tank. The rotation of the tank is carried out sequentially in two opposite directions.
Используют также цилиндрический резервуар с регулируемыми по высоте внутренними перегородками, а регистрирующий электрод располагают между перегородками.A cylindrical tank with height-adjustable internal partitions is also used, and a recording electrode is placed between the partitions.
Останавливают вращение резервуара до начала подъема тока, измеренное при этом время задержки подъема тока сравнивают с временем задержки, измеренным во время вращения резервуара, а на основании совпадения измеренных времен делают вывод о независимости радиальной скорости фронта вращения жидкости от азимутальной скорости жидкости после остановки резервуара.The rotation of the tank is stopped before the start of the current rise, the measured time of the delay of the current rise is compared with the delay time measured during the rotation of the tank, and based on the coincidence of the measured times, it is concluded that the radial velocity of the front of rotation of the liquid is independent of the azimuthal speed of the liquid after stopping the tank.
Перед импульсным пуском резервуара жидкости сообщают начальное вращение. Цепь регистрирующего электрода размыкают и замыкают в процессе вращения резервуара.Before the pulse start of the fluid reservoir, an initial rotation is reported. The recording electrode circuit is opened and closed during the rotation of the tank.
Используют пластины разной длины, ориентируют их вдоль потока, измеряют установившиеся значения предельных токов при вращении резервуара с двумя периодами, обеспечивающими ламинарность обтекания пластин, и рассчитывают показатель степени в равенствеUse plates of different lengths, orient them along the flow, measure the steady-state values of the limiting currents during rotation of the tank with two periods that ensure laminar flow around the plates, and calculate the exponent in the equality
где Tr1, Tr2 - периоды вращения резервуара,where T r1 , T r2 - periods of rotation of the tank,
, - соответствующие предельные токи, , - corresponding limiting currents,
n - показатель степени,n is an exponent
на основании расчета показывают, что показатель степени превосходит значение 2 и увеличивается с уменьшением длины пластины вдоль потока, что связывают с утолщением пограничного слоя на пластине из-за образования области отрыва потока жидкости.Based on the calculation, they show that the exponent exceeds 2 and increases with decreasing plate length along the flow, which is associated with a thickening of the boundary layer on the plate due to the formation of a region of separation of the liquid flow.
В случае монотонного снижения среднего за оборот резервуара предельного тока регистрирующий электрод импульсом смещают с возвратом в исходное положение и наблюдают ступень подъема предельного тока, что связывают с импульсным сокращением объема области отрыва потока на пластине.In the case of a monotonous decrease in the average current limit per revolution of the reservoir, the recording electrode is shifted by a pulse with a return to its original position and the degree of increase in the limit current is observed, which is associated with a pulsed reduction in the volume of the flow separation region on the plate.
Интервалы вращения резервуара с постоянной угловой скоростью периодически чередуют с равными им по времени интервалами неподвижности резервуара. При этом на зависимости тока от времени сравнивают длительности подъема и спада тока между установившимися экстремальными значениями. Показывают таким путем, что в условиях указанного прерывистого вращения резервуара подъем тока и, соответственно, рост скорости жидкости происходят быстрее спада этих величин. Регистрирующий электрод закрепляют с возможностью его поворота относительно оси симметрии резервуара. Погружают в жидкость второй регистрирующий электрод и токи через оба регистрирующих электрода измеряют одновременно.The intervals of rotation of the tank with a constant angular velocity periodically alternate with equal to them in time intervals of the immobility of the tank. At the same time, the duration of the rise and fall of the current between steady-state extreme values is compared on the dependence of current on time. It is shown in such a way that under the conditions of the indicated intermittent rotation of the tank, a rise in current and, accordingly, an increase in the fluid velocity occur faster than the decline of these values. The recording electrode is fixed with the possibility of rotation relative to the axis of symmetry of the tank. The second recording electrode is immersed in a liquid and currents through both recording electrodes are measured simultaneously.
Регистрирующий электрод, используемый для демонстрации спинапа, выполнен в виде электропроводной ленты, помещенной в резервуар с жидкостью, по длине лента имеет консольную и активную части, погруженные в жидкость, консольная часть покрыта изолирующей пленкой, один из концов консольной части скреплен с вертикальным стержнем с возможностью совмещения стержня с осью вращения резервуара, удаленный от стержня конец консольной части имеет продольный изгиб и примыкает к активной части, которая включает пластину, ориентированную вдоль оси вращения резервуара.The recording electrode used to demonstrate spinap is made in the form of an electrically conductive tape placed in a tank with liquid, along the length of the tape there are cantilever and active parts immersed in the liquid, the cantilever part is covered with an insulating film, one of the ends of the cantilever part is fastened with a vertical rod with the possibility of alignment of the rod with the axis of rotation of the tank, the end of the cantilever portion remote from the rod has a longitudinal bend and is adjacent to the active part, which includes a plate oriented along the bp axis scheniya tank.
Лента симметрична относительно плоскости, проходящей через ось вращения резервуара. Кроме того, лента может включать элементы, являющиеся частью тела вращения. В одном из вариантов регистрирующего электрода пластина является плоской с возможностью нанесения на пластину полос изолирующего покрытия, а также с возможностью полной изоляции одной из сторон пластины. В другом варианте удаленный от стержня конец консольной части ленты соединен со стержнем петлей волокна.The tape is symmetrical about a plane passing through the axis of rotation of the tank. In addition, the tape may include elements that are part of the body of rotation. In one embodiment of the recording electrode, the plate is flat with the possibility of applying strips of insulating coating to the plate, as well as with the possibility of completely isolating one of the sides of the plate. In another embodiment, the end of the cantilever portion of the tape remote from the rod is connected to the rod by a fiber loop.
Покрывающая консольную часть ленты изолирующая пленка содержит хлоропреновый каучук.The insulating film covering the cantilever portion of the tape contains chloroprene rubber.
В основе изобретения лежит сочетание двух функций регистрирующего электрода: 1) пропускание электрического тока, 2) выбор типа симметрии вращения жидкости. Вторая из указанных функций электрода является принципиально новой.The invention is based on a combination of two functions of a recording electrode: 1) transmission of electric current, 2) selection of the type of symmetry of fluid rotation. The second of these electrode functions is fundamentally new.
Относительно малые возмущения, вносимые в поток электродом, усиливаются потоком и переводят жидкость в устойчивое состояние асимметричного вращения. Такой переход обусловлен уменьшением кинетической энергии вращения жидкости при образовании вихрей, перемещающихся вместе с резервуаром.The relatively small perturbations introduced into the flow by the electrode are amplified by the flow and transfer the liquid to a stable state of asymmetric rotation. Such a transition is due to a decrease in the kinetic energy of rotation of the liquid during the formation of vortices moving with the reservoir.
Синхронность перемещения вихрей и вращения резервуара наглядно следует из практического совпадения периода колебаний тока с периодом вращения резервуара. После установления асимметричного вращения электрод не оказывает на него существенного влияния.The synchronism of vortex movement and rotation of the tank clearly follows from the practical coincidence of the period of current oscillations with the period of rotation of the tank. After the asymmetric rotation is established, the electrode does not significantly affect it.
Благодаря двойственной роли регистрирующего электрода указанное выполнение способа позволяет продемонстрировать ранее не известные закономерности спинапа, в частности устойчивость асимметричного вращения жидкости в симметричном резервуаре и постоянство радиальной скорости фронта вращения в процессе торможения жидкости.Due to the dual role of the recording electrode, the indicated method allows to demonstrate previously unknown spin-laws, in particular, the stability of asymmetric rotation of a fluid in a symmetrical reservoir and the constancy of the radial velocity of the front of rotation during fluid braking.
Выполнение регистрирующего электрода в виде ленты, изолированная консольная часть которой служит токовыводом, позволяет снизить замедление потока электродом. Этому содействуют следующие обстоятельства: 1) радиальное расположение ленты, сокращающее ее путь во вращающейся жидкости, 2) возможность уменьшения толщины ленты за счет увеличения ширины ленты вдоль потока при сохранении жесткости электрода, 3) возможность выполнения ленты с поверхностью тела вращения, например, с конической и цилиндрической поверхностями, что повышает жесткость при заданной толщине ленты, но не увеличивает гидродинамического сопротивления благодаря естественному обтеканию такой поверхности вращающейся жидкостью.The implementation of the recording electrode in the form of a tape, the insulated cantilever part of which serves as a current output, can reduce the slowdown of the flow by the electrode. The following circumstances contribute to this: 1) the radial location of the tape, reducing its path in a rotating fluid, 2) the possibility of reducing the thickness of the tape by increasing the width of the tape along the stream while maintaining the stiffness of the electrode, 3) the ability to perform the tape with the surface of the body of revolution, for example, with a conical and cylindrical surfaces, which increases rigidity at a given tape thickness, but does not increase hydrodynamic resistance due to the natural flow of such a surface with a rotating fluid.
На чертежах и в тексте использованы следующие обозначения:The following notation is used in the drawings and in the text:
t - время,t is the time
φ - азимутальный угол,φ is the azimuthal angle,
Ω - постоянная угловая скорость резервуара после его пуска, Ω is the constant angular velocity of the tank after it is started,
V - напряжение источника,V is the voltage of the source,
J - суммарный мгновенный ток активной пластины,J is the total instantaneous current of the active plate,
J(φ) - вихревая компонента тока,J (φ) is the eddy current component,
- предельный ток активной пластины, - limiting current of the active plate,
u - скорость жидкости в потоке перед пластиной (индексы у тока и скорости обозначают соответствующие друг другу величины),u is the velocity of the fluid in the flow in front of the plate (the indices of the current and velocity denote the values corresponding to each other),
uφ - суммарная азимутальная (тангенциальная) скорость жидкости,u φ is the total azimuthal (tangential) velocity of the liquid,
uφo(φ) - вихревая компонента азимутальной скорости,u φo (φ) is the vortex component of the azimuthal velocity,
uf - радиальная скорость фронта вращения жидкости,u f is the radial velocity of the front of rotation of the liquid,
dr - диаметр резервуара, сферического либо цилиндрического (также число в разомкнутых круге и квадрате, соответственно),d r is the diameter of the tank, spherical or cylindrical (also the number in an open circle and square, respectively),
Тr - период вращения резервуара (длительность одного оборота, также число под разомкнутым кругом либо квадратом),T r - the rotation period of the tank (the duration of one revolution, also the number under an open circle or square),
Т - период колебаний тока,T is the period of current oscillations,
τ - длительность короткой стадии колебаний тока (интервал между ближайшими абсолютными экстремумами за период),τ is the duration of the short stage of current oscillations (the interval between the nearest absolute extrema for the period),
Θ - кратчайшее угловое расстояние между осями противоположных вихрей в экваториальной плоскости резервуара,Θ is the shortest angular distance between the axes of the opposite vortices in the equatorial plane of the tank,
Ф - функция, описывающая форму колебаний тока,F is a function that describes the form of current oscillations,
0.001...0.25 М - концентрация каждого из реагентов К3Fe(CN)6 и K4Fe(CN)6 в водном растворе, содержащем избыток КОН (100-кратный для концентраций реагентов 0.001...0.004 М);0.001 ... 0.25 M is the concentration of each of the reagents K 3 Fe (CN) 6 and K 4 Fe (CN) 6 in an aqueous solution containing an excess of KOH (100-fold for reagent concentrations of 0.001 ... 0.004 M);
λр - длина активной части пластины вдоль потока,λ p - the length of the active part of the plate along the stream,
ηр - полная длина частично изолированной пластины вдоль потока,η p - the total length of the partially insulated plate along the stream,
χ - высота активной пластины вдоль оси вращения резервуара,χ is the height of the active plate along the axis of rotation of the tank,
εp - толщина активной пластины (0.1-0.2 мм),ε p is the thickness of the active plate (0.1-0.2 mm),
δр - расстояние активной пластины до стенки резервуара в экваториальной плоскости (с точностью до толщины пластины),δ p - the distance of the active plate to the tank wall in the equatorial plane (accurate to the thickness of the plate),
δe - фактическая толщина диффузионного слоя,δ e is the actual thickness of the diffusion layer,
δi - теоретическое значение толщины диффузионного слоя,δ i - theoretical value of the thickness of the diffusion layer,
δs - предельная толщина диффузионного слоя с наслоением,δ s is the limiting thickness of the diffusion layer with layering,
ν - кинематическая вязкость жидкости,ν is the kinematic viscosity of the liquid,
ξ - момент остановки резервуара до начала подъема тока,ξ is the moment the tank stops before the current rises,
ϑ - задержка подъема тока после импульсного начала вращения резервуара (начало отмечено вертикальным пунктиром),ϑ - delay in the rise of current after a pulsed start of rotation of the tank (the beginning is marked with a vertical dash),
κ (греческое) - момент спада крутизны подъема тока,κ (Greek) - the moment of slope of the current rise steepness,
w - длительность участка наибольшей крутизны подъема тока,w is the duration of the portion of the greatest steepness of the current rise,
↓↑ (отдельные стрелки под кривой тока) - моменты, соответственно, остановки и пуска резервуара.↓ ↑ (separate arrows under the current curve) - moments, respectively, of stopping and starting the tank.
На чертежах показаны:The drawings show:
Фиг.1 - устройство для демонстрации вихревого резонанса при спинапе. Фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (повернуто). Фиг.3 - сферический резервуар с двумя регистрирующими электродами. Фиг.4 - цилиндрический резервуар с двумя регистрирующими электродами. Фиг.5 - симметричная система двух регистрирующих электродов. Фиг.6 - вид Б на фиг.5. Фиг.7 - регистрирующий электрод в форме ленты с плоской активной пластиной. Фиг.8 - вид В на фиг.7. Фиг.9 - регистрирующий электрод с цилиндрической активной пластиной. Фиг.10 - вид Г на фиг.9.Figure 1 - device for demonstrating vortex resonance during spinup. Figure 2 - section aa in figure 1 (rotated). Figure 3 - spherical tank with two recording electrodes. Figure 4 is a cylindrical tank with two recording electrodes. 5 is a symmetric system of two recording electrodes. 6 is a view B in figure 5. 7 is a recording electrode in the form of a tape with a flat active plate. Fig.8 is a view In Fig.7. Fig.9 - recording electrode with a cylindrical active plate. Figure 10 is a view of D in figure 9.
Фиг.11 - регистрирующий электрод на цилиндрическом шаблоне. Фиг.12 - вид Д на фиг.11. Фиг.13 - регистрирующий электрод на коническом шаблоне. Фиг.14 - вид Е на фиг.13. Фиг.15 - волоконная подвеска регистрирующего электрода. Фиг.16 - вид Ж на фиг.15. Фиг.17 - составной регистрирующий электрод. Фиг.18 - регистрирующий электрод с плоской консольной частью в аксонометрической проекции. Фиг.19 - регистрирующий электрод с конической консольной частью в аксонометрической проекции. Фиг.20 - сдвиг и поворот регистрирующего электрода в резервуаре с образованием угла атаки α относительно потока.11 is a recording electrode on a cylindrical template. Fig.12 is a view of D in Fig.11. Fig - recording electrode on a conical pattern. Fig.14 is a view of E in Fig.13. Fig - fiber suspension of the recording electrode. Fig.16 is a view of G in Fig.15. 17 is a composite recording electrode. Fig. 18 is a recording electrode with a flat cantilever part in a perspective view. Fig. 19 is a recording electrode with a conical cantilever part in a perspective view. Fig - shift and rotation of the recording electrode in the tank with the formation of the angle of attack α relative to the flow.
Фиг.21 - активная пластина с изоляцией одной стороны и с поворотом под углом атаки к потоку. Фиг.22 - формы активной пластины со свободной и частично изолированной поверхностями (изолированная часть пластины заштрихована, стрелки - возможные направления потока).Fig - active plate with isolation of one side and with rotation at an angle of attack to the flow. Fig - forms of the active plate with free and partially insulated surfaces (the insulated part of the plate is shaded, arrows are the possible flow directions).
Фиг.23 - типы импульсов вращения резервуара и соответствующие формы зависимости тока регистрирующего электрода от времени.Fig - types of pulses of rotation of the tank and the corresponding form of the dependence of the current of the recording electrode on time.
Фиг.24 - мгновенный рельеф скорости вращения жидкости в резервуаре и его подобие форме зависимости тока на фиг.23 (точки Р1, Р2, Р3, Р4 на фиг.23 соответствуют моментам прохождения одноименных точек на фиг.24 мимо электрода в процессе движения фронта вращения жидкости к центру резервуара). Фиг.25 - характеристики регистрирующего электрода «предельный ток - напряжение V» при двух скоростях вращения резервуара (периоды 1.28 и 5.64 с); активная пластина размером 3×10×0.1 мм свободна от изоляции и работает двумя сторонами (площадь 0.6 см2).Fig - instant relief of the fluid rotation speed in the tank and its similarity to the shape of the current dependence in Fig.23 (points P 1 , P 2 , P 3 , P 4 in Fig.23 correspond to the moments of passage of the same points in Fig.24 past the electrode in the process of movement of the front of rotation of the liquid to the center of the tank). Fig - characteristics of the recording electrode "current limit - voltage V "at two speeds of rotation of the tank (periods 1.28 and 5.64 s); the
Фиг.26 - схема обтекания активной пластины и образования диффузионного слоя со стационарным утолщением и нестационарным наслоением, которые обусловлены отрывом потока; толщины диффузионного слоя: δi - классическая, δe - фактическая, δs - с наслоением при развитии отрыва потока. Фиг.27 - схема обтекания частично изолированной активной пластины.Fig. 26 is a diagram of a flow around an active plate and the formation of a diffusion layer with stationary thickening and non-stationary layering, which are caused by flow separation; the thickness of the diffusion layer: δ i - classical, δ e - actual, δ s - with layering during the development of flow separation. 27 is a flow diagram of a partially insulated active plate.
Фиг.28-35 - наблюдаемые формы периодической составляющей тока как функции азимутального угла φ, линейно растущего со временем (выражены функцией Ф с указанными значениями параметров k и f).28-35 are the observed forms of the periodic component of the current as a function of the azimuthal angle φ linearly increasing with time (expressed by the function Φ with the indicated values of the parameters k and f).
Фиг.36-43 - сектора и оси попутного (+) и встречного (-) вихрей в экваториальной плоскости резервуара согласно форме тока на фиг.28-35 (границы секторов соответствуют нулям периодической составляющей тока, оси попутных вихрей - максимумам, оси встречных вихрей - минимумам).Fig.36-43 - sectors and axes of the associated (+) and counter (-) vortices in the equatorial plane of the tank according to the shape of the current in Figs. 28-35 (the boundaries of the sectors correspond to the zeros of the periodic component of the current, the axis of the associated vortices to the maxima, the axis of the counter vortices - lows).
Фиг.44 - осциллограмма кривой «ток J - время t» при спинапе в сферическом резервуаре с периодом вращения Тr=1.32 с; в верхней части - продолжение кривой тока с началом развертки в момент t=115 с (время проставлено у начала развертки); данному моменту соответствует заключительная стадия спинапа с практически полным затуханием колебаний тока. Фиг.45 - осциллограмма в условиях фиг.44, но с увеличенным периодом вращения Тr=5.56 с.Fig.44 is an oscillogram of the curve "current J - time t" when spinup in a spherical tank with a rotation period T r = 1.32 s; in the upper part - the continuation of the current curve with the beginning of the sweep at time t = 115 s (time is set at the beginning of the sweep); This moment corresponds to the final stage of the spinup with almost complete damping of the current oscillations. Fig.45 is an oscillogram in the conditions of Fig.44, but with an increased rotation period T r = 5.56 s.
Фиг.46 - осциллограмма в условиях фиг.44 с увеличением расстояния δр между регистрирующим электродом и стенкой резервуара. Фиг.47 - осциллограммы тока при спинапе с однократным (показаны три развертки) и многократным прерывистым пуском вращения сферического резервуара; под кривой прерывистого пуска - стрелки выключения ↓ и включения ↑ двигателя, Tr=5.56 с.Fig - waveform in the conditions of Fig with increasing distance δ p between the recording electrode and the wall of the tank. Fig - waveforms of the current when spinup with a single (shown three sweeps) and multiple intermittent starting rotation of a spherical tank; under the intermittent start curve - arrows turn off ↓ and turn on ↑ engine, T r = 5.56 s.
Фиг.48-49 - выявление роли начальной скорости жидкости в момент пуска резервуара. Фиг.48 - начальная скорость равна нулю; колебаний тока нет до прихода фронта вращения к регистрирующему электроду (момент ϑ). Фиг.49 - начальная линейная скорость составляет 4% от скорости стенки резервуара; колебания тока, указывающие на присутствие вихрей, возникают сразу после пуска, до прихода фронта к регистрирующему электроду, что указывает на независимость механизма образования вихрей от электрода.Fig.48-49 - the identification of the role of the initial fluid velocity at the time of starting the tank. Fig. 48 - initial velocity is zero; there are no current oscillations until the front of rotation arrives at the recording electrode (moment ϑ). Fig - initial linear velocity is 4% of the velocity of the wall of the tank; current oscillations, indicating the presence of vortices, occur immediately after start-up, before the front arrives at the recording electrode, which indicates the independence of the vortex formation mechanism from the electrode.
Фиг.50 - скачкообразный рост тока при удалении части области обратного течения путем однократного сотрясения активной пластины электрода (продольное смещение на 1 мм за время менее 0.1 с, равное длительности скачка тока). Фиг.51 - процесс установления предельного тока при замыкании цепи регистрирующего электрода в процессе вращения резервуара (верхняя часть фигуры); показана также осциллограмма роста тока от начала пуска резервуара (нижняя часть фигуры).Fig. 50 shows a stepwise increase in current when a part of the reverse flow region is removed by a single shock of the active electrode plate (longitudinal displacement of 1 mm in less than 0.1 s, equal to the duration of the current jump). Fig - the process of establishing the maximum current when closing the circuit of the recording electrode during the rotation of the tank (upper part of the figure); An oscillogram of the current growth from the beginning of the start-up of the tank (the lower part of the figure) is also shown.
Фиг.52 - ток на частично изолированную пластину при смене направления вращения резервуара (момент смены направления показан стрелкой вниз ↓); передней является сначала открытая часть пластины, затем изолированная часть (заштрихована). Фиг.53 - приблизительное соответствие времен: 1) задержки подъема тока после пуска резервуара (излом кривой внизу), 2) задержки спада тока после остановки резервуара (излом кривой вверху, момент остановки резервуара показан стрелкой вниз ↓).Fig - current to a partially insulated plate when changing the direction of rotation of the tank (the moment of the change of direction is shown by the down arrow ↓); the front is first the open part of the plate, then the insulated part (shaded). Fig - approximate correspondence of the times: 1) the delay of the current rise after starting the tank (kink of the curve below), 2) the delay of the current drop after stopping the tank (kink of the curve at the top, the moment the tank was stopped is indicated by the down arrow ↓).
Фиг.54 - эффект сохранения радиальной скорости фронта вращения жидкости после преждевременной остановки сферического резервуара в момент ξ<ϑ; кривая А1 - с преждевременной остановкой резервуара, кривые А2 и А3 - без преждевременной остановки, но с разными начальными скоростями жидкости. Фиг.55 - осциллограммы тока в цилиндрическом резервуаре с двумя регистрирующими электродами, удаленными от стенки резервуара на расстояния 6 и 10 мм; индексы А и В у ϑ и δр относят эти величины к кривым А и В, сдвинутым по вертикали; вверху те же кривые на второй развертке с началом при t=13.7 с (период следования разверток 14.6 с).Fig. 54 shows the effect of maintaining the radial velocity of the front of rotation of the liquid after the spherical reservoir stops prematurely at the moment ξ <ϑ; curve A 1 - with a premature stop of the tank, curves A 2 and A 3 - without a premature stop, but with different initial fluid velocities. Fig - waveforms of current in a cylindrical tank with two recording electrodes remote from the wall of the tank at a distance of 6 and 10 mm; indices A and B at ϑ and δ p relate these values to curves A and B, shifted vertically; at the top are the same curves on the second scan with the beginning at t = 13.7 s (the follow-up period of the sweeps is 14.6 s).
В опытах использованы гладкие ленты из никеля толщиной 0.1 мм (фиг.44-46, 48-51, 53) и толщиной 0.2 мм (фиг.47, 52, 54, 55). Толщина изолирующей пленки 20 мкм. Контур активной пластины электрода показан на осциллограммах прямоугольником с размерами сторон; горизонтальная стрелка перед контуром - направление потока. Длительность установления постоянной угловой скорости резервуара при импульсном пуске - не более 0.1 с. Нагрузочное сопротивление 20 Ом. Напряжение источника V=0.25 В (совпадает с напряжением на электродах с точностью до относительно малого омического падения). Температура 20±1°С.In the experiments, smooth nickel tapes with a thickness of 0.1 mm (Figs. 44-46, 48-51, 53) and 0.2 mm thick (Figs. 47, 52, 54, 55) were used. The thickness of the insulating film is 20 microns. The contour of the active electrode plate is shown on the oscillograms as a rectangle with the dimensions of the sides; the horizontal arrow in front of the circuit is the flow direction. The duration of establishing a constant angular velocity of the tank during pulse start-up is no more than 0.1 s.
Устройство для демонстрации вихревого резонанса при спинапе (фиг.1) включает резервуар 1 со сферической стенкой 2 и вертикальной осью симметрии 3. Стенка 2 имеет метку 4 для контроля углового положения резервуара. Резервуар выполнен с возможностью вращения относительно вертикальной оси симметрии, которая, таким образом, одновременно является осью 5 вращения резервуара. В резервуаре находится жидкость 6, представляющая собой водный раствор окислительно-восстановительной системы. Состав раствора:A device for demonstrating vortex resonance during spinup (Fig. 1) includes a
0.002 М К3Fe(CN)6+0.002 М K4Fe(CN)6+0.2 М КОН.0.002 M K 3 Fe (CN) 6 +0.002 M K 4 Fe (CN) 6 +0.2 M KOH.
В жидкость погружены регистрирующий электрод 7 и превосходящий его по активной площади вспомогательный электрод 8. Электроды выполнены из никеля и закреплены на неподвижном вертикальном стержне 9, который совмещен с осью вращения резервуара (ось вращения проходит через поперечное сечение стержня).The
Регистрирующий электрод представляет собой электропроводную ленту 10, которая включает консоль 11 в роли консольной части ленты и активную пластину 12 в роли активной части ленты. Активная пластина расположена симметрично относительно плоскости 13, проходящей через ось симметрии резервуара, и ориентирована вдоль этой оси. Активную пластину пересекает экваториальная плоскость 14 резервуара (горизонтальный уровень наибольшего внутреннего диаметра).The recording electrode is an electrically
Электроды 7, 8 подключены к противоположным полюсам источника 15 напряжения V через электрическую цепь 16, содержащую нагрузочное сопротивление 17. Регистрирующий электрод является катодом (полярность «минус»), вспомогательный электрод - анодом (полярность «плюс»). Концы нагрузочного сопротивления соединены со входами осциллографического регистратора 18, который усиливает разность потенциалов, пропорциональную току J в цепи.The
В процессе демонстрации получают осциллограммы в координатах «ток J регистрирующего электрода - время t». Началом отсчета времени служит момент пуска резервуара t=0.During the demonstration, oscillograms are obtained in the coordinates “current J of the recording electrode - time t”. The time starts when the tank starts t = 0.
После импульсного начала вращения резервуара в нем образуются две зоны, различающиеся скоростью вращения жидкости вокруг оси 5 вращения: внутренняя зона 19 без вращения жидкости и внешняя зона 20 с вращением жидкости. В экваториальной плоскости зоны разделены линией 21 фронта 22 вращения. Фронт вращения перемещается от стенки резервуара к его оси симметрии. Кроме движения, характеризуемого азимутальной (или, что то же, тангенциальной) скоростью, жидкость совершает движение в меридианальной плоскости. При этом все движение раскручиваемой жидкости является симметричным относительно оси вращения резервуара. Момент подхода фронта вращения к активной пластине регистрируется как резкий излом осциллограммы тока при t=ϑ, отделяющий горизонтальный участок от крутого подъема.After the pulse onset of rotation of the reservoir, two zones are formed in it, differing in the speed of rotation of the fluid around the axis of rotation 5: the inner zone 19 without rotation of the liquid and the
Начальная радиальная скорость движения фронта может быть оценена из осциллограмм по формулеThe initial radial velocity of the front can be estimated from the oscillograms by the formula
uf=δр/ϑ.u f = δ p / ϑ.
Подход фронта вращения к активной пластине меняет тип симметрии движения жидкости. Вращение жидкости становится асимметричным относительно оси вращения резервуара. К симметричной компоненте вращения добавляются вихри 23, 24, 25, 26 с осями 27, 28, 29, 30 и границами 31, 32, 33, 34 (на чертеже граница обозначена точкой в виде кружка в прямоугольнике). Вихри 23, 25 являются попутными (отмечены знаком «плюс»). Циркуляция жидкости в них совпадает по направлению с вращением резервуара. Вихри 24, 26 являются встречными (отмечены знаком «минус»). По направлению циркуляции они противоположны вращению резервуара. Пересечение осей вихрей с экваториальной плоскостью резервуара определяет центры вихрей (на чертеже центры вихрей обведены двумя кружками).The approach of the rotation front to the active plate changes the type of symmetry of the fluid motion. The rotation of the liquid becomes asymmetric about the axis of rotation of the tank.
Попутные вихри увеличивают скорость потока, набегающего на активную пластину, что приводит к повышению тока. Встречные вихри, наоборот, уменьшают ток. По этой причине появление вихрей в резервуаре отображается на осциллограмме возникновением колебаний тока (t0, t1, ..., t7 - моменты прохождения осей и границ вихрей через плоскость 13 симметрии активной пластины 12).Associated eddies increase the velocity of the flow incident on the active plate, which leads to an increase in current. Counter vortices, on the contrary, reduce current. For this reason, the appearance of vortices in the reservoir is displayed on the waveform by the occurrence of current oscillations (t 0 , t 1 , ..., t 7 are the moments of passage of the axes and boundaries of the vortices through the symmetry plane 13 of the active plate 12).
Вихри обнаруживают тенденцию к закреплению внутри вращающегося резервуара, что эквивалентно резонансу с равенством периодовVortices exhibit a tendency to be fixed inside a rotating reservoir, which is equivalent to resonance with equal periods
Т=Тr,T = T r
где Т - период колебаний тока, измеряемый как интервал времени между аналогичными по форме экстремумами (абсолютными минимумами 35, 36 на фиг.1),where T is the period of current oscillations, measured as the time interval between similar in shape extrema (absolute minimums 35, 36 in figure 1),
Тr - период вращения резервуара.T r is the rotation period of the tank.
Существование фронта вращения жидкости с четкой линией 21 характеризует основную стадию спинапа. Длительность этой стадии составляет порядка 10 периодов (оборотов) резервуара, за которые фронт успевает дойти до оси резервуара. Именно на основной стадии спинапа осуществляется достаточно точное совпадение периодов.The existence of a fluid rotation front with a clear line 21 characterizes the main spinap stage. The duration of this stage is about 10 periods (revolutions) of the reservoir, during which the front manages to reach the axis of the reservoir. It is at the main stage of the spinup that the exact coincidence of the periods occurs.
Со временем жидкость приближается к состоянию твердотельного вращения, при котором все ее области имеют одинаковую угловую скорость. По мере такого завершения спинапа вихревые движения затухают и амплитуда колебаний тока стремится к нулю. На завершающей стадии спинапа происходит ограниченный рост периода Т колебаний тока по сравнению с периодом Тr вращения резервуара в пределах 20% от Тr. Относительно малое отклонение Т от Тr аналогично расстройке резонанса.Over time, the liquid approaches a state of solid-state rotation, in which all its regions have the same angular velocity. As this spinup completes, the vortex motion decays and the amplitude of the current oscillations tends to zero. At the final stage of the spinup, there is a limited increase in the period T of current fluctuations compared with the period T r of rotation of the tank within 20% of T r . A relatively small deviation of T from T r is similar to resonance detuning.
Наличие в резервуаре неподвижного стержня с относительно малым диаметром (менее 0.1 от диаметра резервуара) практически не влияет на процесс раскручивания жидкости. Однако помещение в резервуар шара (на чертеже не показан) с диаметром 0.3 от диаметра резервуара позволяет наблюдать остановку спинапа на стадии стационарного дифференциального вращения жидкости, которая подобна основной стадии спинапа («замороженный спинап»).The presence in the tank of a fixed rod with a relatively small diameter (less than 0.1 of the diameter of the tank) practically does not affect the process of unwinding of the liquid. However, placing a ball in the reservoir (not shown in the drawing) with a diameter of 0.3 from the diameter of the reservoir allows observing the spin stop at the stage of stationary differential rotation of the liquid, which is similar to the main spin stage (“frozen spin”).
В этих условиях достигается стационарное равенство периода колебаний тока и периода вращения резервуара (Т=Tr) с постоянным закреплением вихрей. В опытах с шаром точное равенство периодов удается наблюдать неограниченно долго, на протяжении сотен оборотов резервуара.Under these conditions, stationary equality of the period of current oscillations and the period of rotation of the reservoir (T = T r ) with constant fixing of the vortices is achieved. In experiments with the ball, the exact equality of the periods can be observed indefinitely, over hundreds of revolutions of the tank.
В описываемых опытах с нестационарным раскручиванием жидкости равенство периодов наступает временно, на основной стадии спинапа. Однако нестационарный процесс, рассматриваемый в предлагаемом изобретении, помогает объяснить происхождение вихрей, в том числе при стационарном дифференциальном вращении. Существенным аргументом такого объяснения является рассогласование периодов колебаний тока и вращения резервуара на завершающей стадии спинапа.In the described experiments with unsteady spinning of a liquid, the equality of periods occurs temporarily, at the main stage of the spin-up. However, the non-stationary process considered in the present invention helps to explain the origin of the vortices, including during stationary differential rotation. An essential argument for this explanation is the mismatch between the periods of current oscillations and the rotation of the reservoir at the final stage of the spin-up.
Факт скольжения вихрей вдоль стенки резервуара, вытекающий из рассогласования периодов, исключает в данных опытах тривиальную причину вихрей - волны Россби, которые могут быть вызваны асимметричной деталью резервуара (перекошенным дном) и навязывают вихрям постоянную ориентацию относительно этой детали, то есть не допускают скольжения.The fact that the vortices slip along the wall of the reservoir, resulting from the mismatch of the periods, excludes the trivial cause of the vortices in these experiments - Rossby waves, which can be caused by the asymmetric part of the reservoir (skewed bottom) and impose a constant orientation on the vortices relative to this part, i.e., they do not allow sliding.
Отсутствием этой тривиальной причины подтверждается более глубокое по физическому смыслу резонансное происхождение наблюдаемых вихрей, связанное с уменьшением кинетической энергии жидкости при переходе от симметричного вращения к асимметричному.The absence of this trivial reason confirms the deeper physical meaning of the resonance origin of the observed vortices, which is associated with a decrease in the kinetic energy of the liquid during the transition from symmetric to asymmetric rotation.
Из опытов следует, что в вихревое движение вовлекается жидкость по обе стороны фронта вращения, что ускоряет перенос вращения в центральную область резервуара. При этом линия фронта вращения делит каждый вихрь на две части - внешнюю часть 37 и внутреннюю часть 38. Вихри деформируют фронт в процессе его движения.From the experiments it follows that fluid is involved in the vortex motion on both sides of the front of rotation, which accelerates the transfer of rotation to the central region of the reservoir. In this case, the front line of rotation divides each vortex into two parts — the outer part 37 and the inner part 38. Vortices deform the front during its movement.
Скорость вихревого движения жидкости включает азимутальную и радиальную компоненты. На осях вихрей обе компоненты скорости равны нулю. На границах между вихрями обращается в нуль азимутальная компонента.The swirl velocity of the fluid includes the azimuthal and radial components. On the axis of the vortices, both velocity components are equal to zero. At the boundaries between the vortices, the azimuthal component vanishes.
Циркуляция попутного вихря превосходит по максимальной линейной скорости циркуляцию встречного вихря. Соответственно и область, занятая попутным вихрем, больше, чем область встречного вихря, что является дополнительным фактором осевой асимметрии течения жидкости в резервуаре.The circulation of the associated vortex is superior in maximum linear velocity to the circulation of the oncoming vortex. Correspondingly, the region occupied by the associated vortex is larger than the region of the oncoming vortex, which is an additional factor in the axial asymmetry of the fluid flow in the reservoir.
Кроме того, в общем случае асимметрично относительно оси вращения также положение центров противоположных вихрей, что выражается в асимметрии изменения тока за один период колебаний, то есть в неодинаковой длительности подъема и спада. Короткой фазой периода могут быть спад либо подъем тока. При этом кратчайшее угловое расстояние Θ между центрами вихрей меньше 180° и составляетIn addition, in the general case, the position of the centers of opposite vortices is also asymmetric with respect to the axis of rotation, which is expressed in the asymmetry of the current change over one period of oscillations, that is, in the unequal rise and fall times. The short phase of the period can be a fall or rise in current. In this case, the shortest angular distance Θ between the centers of the vortices is less than 180 ° and is
Θ=2πτ/Т,Θ = 2πτ / T,
τ - длительность короткой стадии периода колебаний тока, τ<Т/2.τ is the duration of the short stage of the current oscillation period, τ <T / 2.
Контур каждого вихря приближенно передан замкнутой линией тока, проходящей через точку с максимальной скоростью циркуляции.The contour of each vortex is approximately transmitted by a closed current line passing through a point with a maximum circulation speed.
Консоль ленты покрыта изолирующей пленкой 39 до границы 40 с активной пластиной. Изолирующая пленка содержит хлоропреновый каучук с полимерной цепью из звеньев -CClCHCH2CH2-, что делает ее устойчивой в щелочной среде.The tape console is covered with an insulating
Внутренний конец 41 консоли скреплен со стержнем 9. Внешний конец 42 консоли, удаленный от стержня, имеет продольный изгиб 43 и примыкает к активной пластине 12.The
Резервуар установлен на нижнем горизонтальном шкиве 44, выполненном из винипласта и покрытом резиновой прокладкой 45. Нижний шкив опирается на внешнее кольцо 46 шарикоподшипника 47. Внутреннее кольцо 48 шарикоподшипника одето на неподвижную вертикальную ось 49.The tank is mounted on a lower
Боковая поверхность 50 нижнего шкива находится во фрикционном контакте с ведущим шкивом 51, одетым на вал 52 реверсивного электродвигателя (электродвигатель на чертеже не показан). Включением и выключением электродвигателя достигаются, соответственно, импульсный пуск и импульсная остановка вращения резервуара.The
Нижний шкив имеет канавку 53 для ременной передачи. Резервуар имеет горловину 54. В средней по высоте части горловины находится уровень 55 свободной поверхности 56 жидкости. На горловине установлена крышка 57 с отверстием 58 для стержня 9.The lower pulley has a
Стержень проходит через втулку 59, закрепленную в плите 60, которая лежит на опорах 61, 62 и имеет возможность горизонтального перемещения с последующей фиксацией. На верхний конец стержня одет верхний горизонтальный шкив 63 с канавкой 64 для ременной передачи (канавки 53 и 64 являются резервными и в основном варианте работы устройства не используются).The rod passes through the
Над верхним шкивом на стержне закреплен коллектор 65 из трех взаимно изолированных латунных колец 66, 67, 68 с ползунками 69, 70, 71 для электрического контакта с двумя регистрирующими электродами и одним вспомогательным электродом. В простейшем случае используется один регистрирующий электрод (как показано на фиг.2).A
Возможны варианты работы устройства с двумя регистрирующими электродами в сферическом (фиг.3) либо цилиндрическом (фиг.4) резервуарах. Регистрирующие электроды 72, 73 расположены симметрично относительно оси 74 вращения сферического резервуара 75. Аналогично, в цилиндрическом резервуаре 76 с осью вращения 77 расположены регистрирующие электроды 78, 79.Possible options for the operation of the device with two recording electrodes in a spherical (figure 3) or cylindrical (figure 4) tanks. The
В цилиндрическом резервуаре установлены регулируемые по высоте горизонтальные перегородки 80, 81. Нижняя перегородка 80 тремя винтами 82 опирается на дно 83 резервуара. Верхняя перегородка 81 подвешена на крышке 84 с помощью трех шпилек 85, закрепленных гайками 86.In the cylindrical tank, height-adjustable
Симметричные регистрирующие электроды 72, 73 закреплены на полимерном стержне 87, который входит в никелевую трубку 88, служащую вспомогательным электродом, и фиксирован резиновыми вкладышами 89, 90. Для введения симметричных регистрирующих электродов в сферический сосуд через горловину предусмотрена возможность временного изгиба лент 91, 92 электродов до положений 93, 94 (фиг.5, 6).
Выполнение регистрирующего электрода допускает ряд вариантов.The implementation of the recording electrode allows a number of options.
Наиболее прост вариант (фиг.7, 8), в котором регистрирующий электрод 95 в виде ленты 96 изготовлен из прямой листовой заготовки путем двукратного ее изгиба с образованием трех плоских секций 97, 98, 99, направленных под прямыми углами друг к другу, либо плоских секций 97, 100, 101 с тупыми углами между ними.The simplest option (Fig. 7, 8), in which the
Изолирующая пленка 102 покрывает секции 97, 98 и верхнюю часть секции 99 до границы 103 с активной пластиной 104. Секция 97 ленты скреплена с гранью 105 вертикального стержня 106. Стержень имеет квадратное поперечное сечение и ось симметрии 107, совмещенную с осью симметрии резервуара. При таком выполнении лента 96 симметрична относительно плоскости 108, проходящей через ось 109 вращения резервуара. Вспомогательный электрод 110 в виде изогнутой пластины 111 скреплен с другой гранью 112 стержня.The insulating
В другом варианте (фиг.9, 10) регистрирующий электрод 113 на основе ленты 114 включает элементы, являющиеся частью тела вращения. В данном случае такими элементами являются активная пластина 115 и крепежная секция 116, имеющие цилиндрические поверхности 117, 118.In another embodiment (FIGS. 9, 10), the
Регистрирующий электрод 113 и вспомогательный электрод 119 закреплены на вертикальном стержне 120 круглого сечения. Регистрирующие электроды с поверхностями вращения могут быть изготовлены путем изгиба листовых заготовок на шаблонах, в частности сплошной заготовки 121 на цилиндрическом шаблоне 122 (фиг.11, 12) и заготовки 123 с отверстием 124 на коническом шаблоне 125 (фиг.13, 14).The
Жесткость ленты 126 регистрирующего электрода 127 может быть повышена с помощью волокна 128, которое в виде петли 129 огибает конец 130 консоли 131 и вертикальный стержень 132 (фиг.15, 16). На стержне петля фиксирована упорами 133, 134. Уменьшение толщины активной пластины 135 без существенного снижения жесткости регистрирующего электрода может быть достигнуто путем сварки ленты 136 из листов 137, 138, различающихся толщиной (фиг.17).The stiffness of the
Симметрия ленты 139 с активной пластиной 140 относительно плоскости 141, проходящей через ось 142 вращения резервуара, способствует снижению гидродинамического сопротивления регистрирующего электрода 143 потоку жидкости (фиг.18). Коническая поверхность 144 ленты 145 ориентирована вдоль линий тока свободно вращающейся жидкости, что позволяет повысить жесткость регистрирующего электрода 146 без искажения формы потока (фиг.19).The symmetry of the
Для контролируемого воздействия на форму течения активная пластина 147 регистрирующего электрода 148 может быть повернута под заданным углом α (угол атаки) к направлению потока, что обеспечивается смещением вертикального стержня 149 от оси 150 вращения резервуара 151 (фиг.20). При таком расположении активной пластины одна ее сторона 152 и кромки 153, 154 могут быть покрыты изолирующей пленкой 155 (фиг.21).For a controlled influence on the flow shape, the
Кроме того, изолирующая пленка может быть нанесена на активную пластину 156 в форме полос 157, 158, 159, имеющих разную ширину и ориентированных поперек потока (фиг.22, направление потока показано стрелками, λp - длина свободной от изоляции части активной пластины, ηp - полная длина активной пластины вдоль потока, ηp>λp). При этом остаются открытыми части 160, 161 пластины, расположенные, соответственно, у ее передней кромки 162 и задней кромки 163. При одном и том же положении частично изолированной пластины роли кромок могут быть изменены путем смены направления вращения резервуара.In addition, an insulating film can be deposited on the active plate 156 in the form of
В описываемом способе применены три типа импульсной зависимости угловой скорости Ω резервуара от времени t с началом при t=0 (фиг.23): импульс Ω1 неограниченной длительности; импульс Ω2 с длительностью ξ, меньшей, чем время ϑ прихода фронта вращения жидкости к регистрирующему электроду; последовательность Ω3 периодически повторяющихся импульсов.In the described method, three types of impulse dependence of the angular velocity Ω of the reservoir on time t with a start at t = 0 are used (Fig. 23): impulse Ω 1 of unlimited duration; a pulse Ω 2 with a duration ξ less than the time ϑ of the arrival of the front of rotation of the liquid to the recording electrode; a sequence of Ω 3 periodically repeating pulses.
Сравнение осциллограмм тока, полученных с импульсами Ω1 и Ω2, показывает независимость времени ϑ прихода фронта вращения жидкости от длительности импульса вращения резервуара. Необычность этого эффекта делает его интересным объектом для наглядной демонстрации. Форма монотонной зависимости тока от времени дает картину радиального профиля скорости жидкости в процессе ее раскручивания (фиг.24).Comparison of the current waveforms obtained with pulses Ω 1 and Ω 2 shows the independence of the time ϑ of the arrival of the front of rotation of the liquid from the duration of the pulse of rotation of the tank. The unusual nature of this effect makes it an interesting object for a visual demonstration. The shape of the monotonous dependence of current on time gives a picture of the radial profile of the fluid velocity in the process of its unwinding (Fig.24).
При отрицательной полярности регистрирующего электрода (катод) ток обусловлен электрохимической реакцией восстановленияWith a negative polarity of the recording electrode (cathode), the current is due to the electrochemical reduction reaction
Fe(CN)6 3-+e↔Fe(CN)6 4- Fe (CN) 6 3- + e↔Fe (CN) 6 4-
на поверхности активной пластины. Сила тока J зависит от напряжения V на регистрирующем и вспомогательном электродах, а также от скорости доставки ионов через диффузионный слой, толщина которого уменьшается с ростом скорости потока, набегающего на активную пластину. При фиксированной скорости потока толщина диффузионного слоя возрастает с удалением от передней кромки активной пластины, а плотность тока, как следствие, убывает.on the surface of the active plate. The current strength J depends on the voltage V at the recording and auxiliary electrodes, as well as on the rate of ion delivery through the diffusion layer, the thickness of which decreases with an increase in the flow velocity incident on the active plate. At a fixed flow velocity, the thickness of the diffusion layer increases with distance from the leading edge of the active plate, and the current density, as a consequence, decreases.
Напряжение V>0.2 В достаточно для перезарядки практически всех ионов, подошедших к поверхности электрода. Дальнейший рост напряжения перестает влиять на скорость реакции. При V=const достигается предельный ток , зависящий от скорости и жидкости и, соответственно, от периода Тr вращения резервуара (фиг.25).A voltage of V> 0.2 V is sufficient to recharge almost all the ions that have approached the electrode surface. A further increase in voltage ceases to affect the reaction rate. At V = const, the limiting current is reached depending on the speed and fluid and, accordingly, on the period T r of rotation of the tank (Fig.25).
Для установления предельного тока с точностью 1% от его истинного значения необходимо время, которое согласно приведенным осциллограммам эквивалентно нескольким оборотам резервуара (приблизительно шести оборотам с периодом 1.5 с).To set the current limit with an accuracy of 1% of its true value, a time is required which, according to the given oscillograms, is equivalent to several tank revolutions (approximately six revolutions with a period of 1.5 s).
При точности 20% ток устанавливается за десятую долю оборота, что делает возможным приближенное измерение колебаний скорости жидкости путем регистрации колебаний мгновенного тока.With an accuracy of 20% current is set for a tenth of a revolution, which makes it possible to approximate the measurement of fluid velocity fluctuations by recording the instantaneous current oscillations.
В описываемых опытах при обтекании пластины число Рейнольдса составляетIn the experiments described, when flowing around a plate, the Reynolds number is
Rep=π(dr-2δp)λp/νTr,Re p = π (d r -2δ p ) λ p / νT r ,
где ν - кинематическая вязкость жидкости. Условием ламинарного обтекания гладкой пластины является Rep<3000.where ν is the kinematic viscosity of the liquid. The condition for laminar flow around a smooth plate is Re p <3000.
Опытам фиг.25 соответствуют значения: dr=12.7 см, δp=0.8 см, λp=0.3 см, Tr=1.28 с и 5.64 с, ν=0.01 см2·с-1. При этом max Rep=817, то есть обтекание является ламинарным.The experiments of Fig. 25 correspond to the values: d r = 12.7 cm, δ p = 0.8 cm, λ p = 0.3 cm, T r = 1.28 s and 5.64 s, ν = 0.01 cm 2 · s -1 . Moreover, max Re p = 817, that is, the flow around is laminar.
Классическая теория ламинарного обтекания пластины приводит к квадратичной зависимости предельного тока от скорости набегающего потока u, (Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика, Москва, 1959, с.98), илиThe classical theory of laminar flow around a plate leads to a quadratic dependence of the limiting current on the speed of the oncoming flow u, (Levich V.G. Physico-chemical hydrodynamics, Moscow, 1959, p. 98), or
где u1, u2 - два значения скорости потока перед пластиной,where u 1 , u 2 are two values of the flow velocity in front of the plate,
, - соответствующие значения предельного тока на пластину. , - the corresponding values of the limiting current to the plate.
Опыты со спинапом обнаруживают значительное отклонение от квадратичной зависимости. Например, при длине активной пластины λр=3 мм (по данным фиг.25)The spin-up experiments show a significant deviation from the quadratic dependence. For example, with the length of the active plate λ p = 3 mm (according to Fig.25)
Из аналогичных измерений с активными пластинами других размеров следует, что в формулеFrom similar measurements with active plates of other sizes, it follows that in the formula
показатель степени n существенно зависит от длины λp активной пластины, n=n(λp). Для расчетов могут быть рекомендованы следующие значения: n=2.4±0.1 при λр=6 мм, n=2.7±0.1 при λp=3 мм.exponent n substantially depends on the length λ p of the active plate, n = n (λ p ). The following values can be recommended for calculations: n = 2.4 ± 0.1 at λ p = 6 mm, n = 2.7 ± 0.1 at λ p = 3 mm.
При регистрации колебаний мгновенного тока J справедливо приближенное равенствоWhen registering the oscillations of the instantaneous current J, the approximate equality
u2/u1≈(J2/J1)n,u 2 / u 1 ≈ (J 2 / J 1 ) n ,
где J1 и J2 - мгновенные токи, соответствующие скоростям потока u1 и u2 перед пластиной. Отсюда следует выражение для амплитуд Δ тока J и скорости потока u:where J 1 and J 2 are the instantaneous currents corresponding to the flow velocities u 1 and u 2 in front of the plate. This implies the expression for the amplitudes Δ of the current J and the flow velocity u:
Δu/u≈nΔJ/J.Δu / u≈nΔJ / J.
Таким образом, в условиях описываемых опытов относительная амплитуда скорости потока в 2.4...2.7 раза больше наблюдаемой относительной амплитуды тока. Относительный размах 2Δu/u колебаний скорости, вызванных образованием вихрей, достигает 25% от средней скорости потока в фиксированной точке резервуара.Thus, under the conditions of the described experiments, the relative amplitude of the flow velocity is 2.4 ... 2.7 times greater than the observed relative amplitude of the current. The relative range of 2Δu / u of velocity fluctuations caused by the formation of vortices reaches 25% of the average flow rate at a fixed point in the tank.
Значительное увеличение показателя степени n по сравнению с классическим значением 2 указывает на утолщение диффузионного слоя, вызванное отрывом потока и образованием области обратного течения 164 вблизи передней кромки 165 активной пластины 166 (фиг.26). Истинный диффузионный слой 167 (толщина δe) толще классического диффузионного слоя 168 (толщина δi) и обнаруживает тенденцию к постепенному утолщению с образованием стационарного наслоения 169 (дополнительного слоя до суммарной толщины δs) в течение выдержки порядка 10 минут.A significant increase in the exponent n compared with the classical value of 2 indicates a thickening of the diffusion layer caused by flow separation and the formation of a
Наслоение может быть разрушено легким сотрясением электрода. При этом скачком восстанавливается диффузионный слой 167, после чего процесс утолщения возобновляется и наслоение образуется в течение той же выдержки. Торможение жидкости без полной остановки и повторное раскручивание до прежней скорости восстанавливают стационарное наслоение без выдержки, то есть практически мгновенно. Для воспроизведения выдержки необходима полная остановка жидкости перед повторным раскручиванием.Layering can be destroyed by light shaking of the electrode. In this case, the
Нанесение изолирующего слоя 170 на участок 171 поверхности, прилегающий к передней кромке 172 пластины 173 (фиг.27), уменьшает толщину истинного диффузионного слоя 174 на свободной от изоляции части пластины, однако при длине пластины до 10 мм это уменьшение незначительно и показатель степени продолжает превосходить теоретическое значение n=2.The application of an insulating
На осциллограммах, полученных описываемым способом, периодические колебания тока четко выделяются на фоне его монотонно возрастающего среднего значения. Для анализа формы наблюдаемых колебаний среднее значение тока необходимо принять за начало отсчета периодической компоненты J(φ) тока (фиг.28-35). При этом форма колебаний тока позволяет судить о взаимном расположении вихрей жидкости во вращающемся резервуаре (фиг.36-43).On the oscillograms obtained by the described method, periodic current oscillations are clearly distinguished against the background of its monotonically increasing average value. To analyze the shape of the observed oscillations, the average current value must be taken as the reference point of the periodic component J (φ) of the current (Fig. 28-35). In this case, the shape of the current oscillations allows us to judge the relative position of the liquid vortices in a rotating reservoir (Figs. 36-43).
Независимой переменной является время t либо азимутальный угол φ, связанный со временем соотношениемAn independent variable is time t or the azimuthal angle φ associated with time by the relation
φ= Ωt+const,φ = Ωt + const,
где Ω - угловая скорость резервуара. В условиях вихревого резонанса, то есть при Т=Тr, периоду Т колебаний тока соответствует период 2π азимутального угла.where Ω is the angular velocity of the tank. Under conditions of vortex resonance, that is, at T = T r , the period T of the current oscillations corresponds to the period 2π of the azimuthal angle.
Период колебаний тока определен как минимальный интервал времени t либо азимутального угла φ между аналогичными по форме экстремумами, например между максимумами 175, 176 либо между минимумами 177, 178, которые аналогичны по форме, поскольку являются абсолютными на протяжении одного периода, в отличие от относительных максимума 179 и минимума 180 (фиг.28).The current oscillation period is defined as the minimum interval of time t or the azimuthal angle φ between extrema of similar shape, for example, between maxima of 175, 176 or between minima of 177, 178, which are similar in shape because they are absolute for one period, in contrast to
Наблюдаемые формы периодической компоненты тока могут быть описаны выражениемThe observed forms of the periodic component of the current can be described by the expression
Ф=sinφ+fsin(2φ-kπ/2)F = sinφ + fsin (2φ-kπ / 2)
с параметрами f и k, принимающими различные значения (фиг.28-32).with parameters f and k, taking different values (Fig.28-32).
Периодическая компонента тока имеет в пределах периода следующие характерные точки: нули 181, 182, 183, 184, максимумы 185, 186, минимумы 187, 188 (фиг.28).The periodic component of the current has the following characteristic points within the period:
В первом приближении различие в скоростях циркуляции попутного и встречного вихрей допустимо не учитывать. В экваториальной плоскости сферического резервуара с точностью до указанного различия нули тока соответствуют границам 189, 190, 191, 192 между секторами вихрей, максимумы тока соответствуют осям 193, 194 попутных вихрей, минимумы тока соответствуют осям 195, 196 встречных вихрей (фиг.36), причем в пересечении с экваториальной плоскостью ось вихря эквивалентна центру вихря. Аналогично соответствие между другими формами токов (фиг.29-35) и параметрами вихрей (фиг.37-43).In a first approximation, the difference in the circulation speeds of the associated and oncoming vortices is permissible not to be taken into account. In the equatorial plane of the spherical reservoir, up to the indicated difference, the current zeros correspond to the
Превосходство попутного вихря над встречным по скорости циркуляции приводит к смещению границ до положений 197, 198, 199, 200, уменьшающих сектора встречных вихрей и схематически показанных пунктиром (фиг.38, 39).The superiority of the associated vortex over the counter in terms of circulation speed leads to a displacement of the boundaries to the
В случаях сливающихся экстремумов тока (фиг.34, 35) в экваториальной плоскости между центрами 201, 202 встречного вихря образуется линия 203 нулевой азимутальной скорости вихревой циркуляции (фиг.42), а между центрами 204, 205 попутного вихря - аналогичная линия 206 (фиг.43).In cases of merging current extremes (Figs. 34, 35), in the equatorial plane between the centers of the opposing
Примеры демонстрации вихревого резонанса и сопутствующих ему явлений показаны на приведенных осциллограммах (фиг.44-55). Все осциллограммы содержат излом, отмечающий время ϑ прихода фронта вращения жидкости к электроду, что позволяет определить начальную скорость движения фронта вращения.Examples of the demonstration of vortex resonance and its attendant phenomena are shown in the given oscillograms (Figs. 44-55). All waveforms contain a kink marking the time ϑ of the arrival of the front of rotation of the liquid to the electrode, which allows you to determine the initial velocity of the front of rotation.
Сравнение фиг.44 с фиг.45 демонстрирует пропорциональное увеличение периода колебаний тока с периодом вращения резервуара. На фиг.45 период колебаний тока Т=5.7 с, время подъема тока τ=1.9 с, время спада тока Т-τ=3.8 с, угловое расстояние между осями вихрей Θ=2πτ/T=2π/3=120°.The comparison of Fig. 44 with Fig. 45 shows a proportional increase in the period of current oscillations with the period of rotation of the tank. In Fig. 45, the current oscillation period is T = 5.7 s, the current rise time is τ = 1.9 s, the current decay time is T-τ = 3.8 s, and the angular distance between the vortex axes is Θ = 2πτ / T = 2π / 3 = 120 °.
Сравнение фиг.44 с фиг.46, а также фиг.45 с фиг.47 показывает рост времени ϑ прихода фронта вращения с увеличением расстояния δp активной пластины до стенки резервуара. Из фиг.47, кроме того, следует, что периодические пуск и остановка вращения резервуара через равные интервалы времени (5 с) сопровождаются неодинаковыми по длительности подъемами и спадами тока: подъем происходит вдвое быстрее.A comparison of FIG. 44 with FIG. 46, and FIG. 45 with FIG. 47 shows an increase in the time ϑ of arrival of the front of rotation with increasing distance δ p of the active plate to the tank wall. From Fig. 47, in addition, it follows that periodic starting and stopping the rotation of the tank at equal time intervals (5 s) are accompanied by unequal durations of ups and downs of current: the rise is twice as fast.
Согласно фиг.48 в сферическом резервуаре с внутренним диаметром dr=127 мм, периодом вращения Тr=1.55 с, расстоянием стенки до активной пластины электрода δp=8 мм время подхода фронта вращения жидкости к пластине составляет ϑ=1.38 с, откуда начальная скорость радиального движения фронта вращения жидкости составляетAccording to Fig. 48, in a spherical tank with an inner diameter d r = 127 mm, a rotation period T r = 1.55 s, a wall distance to the active electrode plate δ p = 8 mm, the approach time of the front of rotation of the liquid to the plate is ϑ = 1.38 s, whence the initial the speed of the radial motion of the front of rotation of the liquid is
uf=0.8 см/1.38 с=0.58 см/с.u f = 0.8 cm / 1.38 s = 0.58 cm / s.
При тех же условиях период колебаний тока составляет T=1.55 с (фиг.48, 49), что совпадает с периодом вращения резервуара и соответствует точному вихревому резонансу,Under the same conditions, the period of current oscillations is T = 1.55 s (Figs. 48, 49), which coincides with the rotation period of the tank and corresponds to an exact eddy resonance,
T=Tr=1.55 с.T = T r = 1.55 s.
Точный вихревой резонанс практически достигается в опытах фиг.50-52 на основной стадии спинапа:The exact vortex resonance is practically achieved in the experiments of Figures 50-52 at the main stage of the spin:
T=Tr=1.28 с (фиг.50, 51),T = T r = 1.28 s (Figs. 50, 51),
Т=Тr=1.34 с (фиг.52).T = T r = 1.34 s (Fig. 52).
В ряде приведенных опытов видна тенденция периода колебаний к постепенному росту: 1.4 с≤T≤1.6 с при Tr=1.32 с (на фиг.44, 46), Т=5.7 с при Tr=5.56 с (на фиг.45), 1.34 с≤T≤1.36 с (на фиг.52).In a number of the above experiments, a tendency of the period of oscillations to a gradual increase is visible: 1.4 s≤T≤1.6 s at T r = 1.32 s (in Figs. 44, 46), T = 5.7 s at T r = 5.56 s (in Fig. 45) , 1.34 s≤T≤1.36 s (in FIG. 52).
Осциллограммы фиг.48, 49 получены в одинаковых условиях, кроме скорости жидкости в момент пуска резервуара. На фиг.48 жидкость неподвижна, на фиг.49 вращается по инерции после предшествующих вращения и остановки резервуара. Начальная азимутальная скорость uφ вращения жидкости в месте расположения активной пластины может быть оценена по отношению токов на осциллограмме фиг.49:The oscillograms of Figs. 48, 49 were obtained under the same conditions, except for the velocity of the liquid at the time of the start-up of the tank. In Fig.48, the liquid is stationary, in Fig.49 rotates by inertia after the previous rotation and stopping of the tank. The initial azimuthal velocity u φ of fluid rotation at the location of the active plate can be estimated from the ratio of currents on the waveform of FIG. 49:
J(t=0)/maxJ=0.29,J (t = 0) /maxJ=0.29,
uφ(t=0)/max uφ=(0.29)2.7=0.035,u φ (t = 0) / max u φ = (0.29) 2.7 = 0.035,
где символы «t=0» и «max» указывают, соответственно, на начальное и максимальное значения тока J и азимутальной скорости uφ. В пределах осциллограммы максимальная скорость допускает оценкуwhere the symbols "t = 0" and "max" indicate, respectively, the initial and maximum values of current J and azimuthal velocity u φ . Within the waveform, the maximum speed can be estimated
max uφ≈π(dr-2δр)/Тr=22.5 см·с-1,max u φ ≈π (d r -2δ p ) / T r = 22.5 cm · s -1 ,
так как dr=12.7 см, δp=0.8 см, Тr=1.55 с.since d r = 12.7 cm, δ p = 0.8 cm, T r = 1.55 s.
ОтсюдаFrom here
uφ(t=0)≈0.79 см·с-1.u φ (t = 0) ≈0.79 cm s -1 .
При такой относительно малой начальной скорости жидкости вихри возникают сразу после начала вращения резервуара, до прихода фронта вращения к регистрирующему электроду.With such a relatively low initial liquid velocity, vortices arise immediately after the rotation of the reservoir begins, before the rotation front arrives at the recording electrode.
Об этом свидетельствуют колебания тока на интервале времени t от 0 до ϑ (фиг.49) в отличие от опыта с исходной неподвижной жидкостью, где таких колебаний нет (фиг.48).This is evidenced by current fluctuations in the time interval t from 0 to ϑ (Fig. 49), in contrast to the experiment with the original stationary fluid, where there are no such oscillations (Fig. 48).
В данном опыте вихри, регистрируемые электродом, образуются практически без его участия и, следовательно, являются асимметричной формой свободного вращения жидкости. Это дает дополнительные основания считать вихревой резонанс, наблюдаемый в более общих условиях, универсальным свойством жидкости, вращающейся в резервуаре идеальной формы.In this experiment, the vortices recorded by the electrode are formed practically without its participation and, therefore, are an asymmetric form of free rotation of the liquid. This gives additional reasons to consider the vortex resonance, observed under more general conditions, as a universal property of a fluid rotating in a reservoir of ideal shape.
При достаточной скорости свободное движение такой жидкости имеет два состояния - симметричное и асимметричное, которые могут переходить друг в друга при незначительных внешних воздействиях. В описываемых опытах источником подобного воздействия служит регистрирующий электрод.At a sufficient speed, the free motion of such a liquid has two states - symmetric and asymmetric, which can transform into each other with minor external influences. In the described experiments, the source of such an effect is a recording electrode.
В серии опытов фиг.50, 51 демонстрация вихревого резонанса позволяет одновременно выявить особенности гидродинамического обтекания пластины, приводящие к аномальному росту показателя степени n в соотношении между током и скоростью жидкости.In the series of experiments of Figs. 50, 51, the demonstration of vortex resonance simultaneously reveals the features of the hydrodynamic flow around the plate, leading to an abnormal increase in the exponent n in the ratio between current and fluid velocity.
Ступенчатое увеличение тока на фиг.50, вызванное сотрясением электрода, свидетельствует об удалении части пограничного слоя (именуемой здесь и на фиг.26 наслоением), а также об отрыве потока вблизи передней кромки пластины.The stepwise increase in current in Fig. 50, caused by shaking of the electrode, indicates the removal of part of the boundary layer (referred to as layering here and in Fig. 26), as well as the separation of the flow near the leading edge of the plate.
Связанное с отрывом обратное течение приводит к разбуханию пограничного слоя и, как следствие, к замедлению доставки реагирующего вещества к электроду. Наличие области обратного течения замедляет также обновление пограничного слоя на активной пластине при обтекании ее потоком жидкости.The reverse flow associated with the separation leads to a swelling of the boundary layer and, as a result, to a slowdown in the delivery of the reacting substance to the electrode. The presence of the reverse flow region also slows down the updating of the boundary layer on the active plate when it is surrounded by a fluid flow.
Скорость обновления пограничного и диффузионного слоев характеризуется временем спада тока до предельного значения после замыкания цепи электрода в процессе вращения резервуара (верхние L-образные кривые на фиг.51). Согласно осциллограмме время спада равно приблизительно шести периодам колебаний тока, что соответствует шести оборотам резервуара. Таким образом, для обновления пограничного слоя активная пластина электрода должна пройти в жидкости расстояние, превосходящее длину пластины в 800 раз.The update rate of the boundary and diffusion layers is characterized by the current decay time to the limiting value after the electrode circuit is closed during rotation of the tank (upper L-shaped curves in Fig. 51). According to the waveform, the decay time is approximately six periods of current fluctuations, which corresponds to six turns of the tank. Thus, in order to update the boundary layer, the active electrode plate must travel a distance 800 times greater than the plate length in the liquid.
Осциллограмма фиг.52 снята на частично изолированной пластине с общей длиной вдоль потока ηр=6.5 мм и длиной открытой полосы λр=2 мм у кромки пластины. Вначале открытая полоса расположена в передней части пластины по отношению к потоку жидкости, затем - в тыльной части пластины. Смена положения открытой полосы достигнута сменой направления вращения резервуара. При переднем положении открытой полосы предельный ток в 1.22 раза выше, чем при тыльном, что обусловлено ростом толщины пограничного слоя вдоль пластины. Форма и период колебаний тока одинаковы при обоих направлениях вращения.The waveform of Fig. 52 is taken on a partially insulated plate with a total length along the flow η p = 6.5 mm and an open strip length λ p = 2 mm at the edge of the plate. First, the open strip is located in front of the plate with respect to the fluid flow, then in the back of the plate. The change in position of the open strip is achieved by changing the direction of rotation of the tank. In the forward position of the open strip, the limiting current is 1.22 times higher than in the rear, due to an increase in the thickness of the boundary layer along the plate. The shape and period of current oscillations are the same in both directions of rotation.
На осциллограмме фиг.53 выделена протяженность w наиболее крутого подъема тока после прихода фронта вращения к активной пластине и показан спад тока после остановки резервуара (момент остановки показан стрелкой ↓).On the oscillogram of Fig. 53, the length w of the steepest rise in current after the arrival of the rotation front to the active plate is highlighted and the current decreases after the tank stops (the stopping moment is shown by the arrow ↓).
На фиг.54 задержка ϑ начала подъема тока одинакова у трех кривых, полученных при разных режимах вращения сферического резервуара (снизу вверх): A1 - преждевременная остановка резервуара в момент ξ=1.2 с до начала подъема тока при ϑ=2.5 с (ξ≈0.5ϑ), A2 - повторный пуск резервуара через 2 мин без преждевременной остановки резервуара (смещение начального уровня тока - результат ослабленного начального вращения жидкости, оставшегося после предыдущего пуска), А3 - следующий повторный пуск через 10 с после предыдущей обычной остановки резервуара (значительно начальное вращение жидкости).In Fig. 54, the delay ϑ of the start of the current rise is the same for three curves obtained for different rotation modes of the spherical tank (from the bottom up): A 1 - premature stop of the tank at the moment ξ = 1.2 s before the start of the current rise at ϑ = 2.5 s (ξ≈ 0.5ϑ), A 2 - restart the tank after 2 minutes without stopping the tank prematurely (displacement of the initial current level is the result of a weakened initial rotation of the liquid remaining after the previous start), A 3 - the next restart after 10 s after the previous normal stop of the tank ( significant but the initial rotation of the fluid).
На фиг.55 фронт вращения жидкости подходит последовательно к двум регистрирующим электродам, расположенным на разном удалении от стенки цилиндрического резервуара, δpA=6 мм и δpB=10 мм; сравнение с величинами ϑ и Тr на фиг.54 показывает, что при вдвое более быстром вращении цилиндрического сосуда фронт вращения жидкости в нем движется с той же скоростью, что в сферическом сосуде. Отсюда следует, что при прочих равных условиях фронт вращения жидкости в сферическом сосуде движется быстрее, чем в цилиндрическом.On Fig the front of rotation of the liquid sequentially approaches two recording electrodes located at different distances from the wall of the cylindrical tank, δ pA = 6 mm and δ pB = 10 mm; a comparison with the values of ϑ and T r in Fig. 54 shows that when the cylindrical vessel is rotated twice as fast, the fluid rotation front in it moves at the same speed as in the spherical vessel. It follows that, ceteris paribus, the front of fluid rotation in a spherical vessel moves faster than in a cylindrical one.
Колебания тока, наблюдаемые в описанных опытах, дают возможность построить аналитическое выражение для вихревого движения жидкости в экваториальной плоскости сферического резервуара. Подстановка этого выражения в стационарное уравнение вихря во вращающейся системе координат обращает это уравнение в тождество при двух значениях максимальной скорости вихревого движения: равном нулю и равном приблизительно десятой доле линейной скорости резервуара.The current fluctuations observed in the described experiments make it possible to construct an analytical expression for the vortex motion of a liquid in the equatorial plane of a spherical reservoir. Substitution of this expression into the stationary equation of the vortex in a rotating coordinate system makes this equation identical for two values of the maximum speed of the vortex motion: equal to zero and equal to approximately a tenth of the linear velocity of the reservoir.
Отсюда следует, что уравнение вязкой несжимаемой вращающейся жидкости допускает существование одновременно двух стационарных решений во вращающейся системе координат: симметричного и асимметричного относительно оси вращения резервуара.It follows that the equation of a viscous incompressible rotating fluid allows for the simultaneous existence of two stationary solutions in a rotating coordinate system: symmetric and asymmetric with respect to the axis of rotation of the tank.
Это согласуется с результатами описанных опытов, обнаруживающих тяготение вихрей к стационарному положению во вращающемся резервуаре, что выражается в совпадении периода колебаний тока и периода вращения резервуара.This is consistent with the results of the described experiments, which reveal the vortex attraction to a stationary position in a rotating reservoir, which is expressed in the coincidence of the current oscillation period and the rotation period of the reservoir.
Явление вихревого резонанса существенно для физики планет. В условиях Земли оно означает возможность локализации вихрей расплава под определенными участками мантии. Обеспечивая ускоренный отвод тепла от жидкого ядра, эти участки становятся источниками плюмов, пронизывающих мантию и активизирующих вулканизм. Отклонения внутренней поверхности мантии от идеальной формы повышают стабильность локализации вихрей.The phenomenon of vortex resonance is essential for planetary physics. Under Earth's conditions, it means the possibility of localizing melt vortices under certain sections of the mantle. Providing accelerated heat removal from the liquid core, these areas become sources of plumes penetrating the mantle and activating volcanism. Deviations of the inner surface of the mantle from the ideal form increase the stability of vortex localization.
Claims (22)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006105727/28A RU2305869C2 (en) | 2006-02-26 | 2006-02-26 | Method of demonstration of vortex resonance at spin-up and registering electrode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006105727/28A RU2305869C2 (en) | 2006-02-26 | 2006-02-26 | Method of demonstration of vortex resonance at spin-up and registering electrode |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006105727A RU2006105727A (en) | 2006-06-27 |
RU2305869C2 true RU2305869C2 (en) | 2007-09-10 |
Family
ID=36714587
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006105727/28A RU2305869C2 (en) | 2006-02-26 | 2006-02-26 | Method of demonstration of vortex resonance at spin-up and registering electrode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2305869C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107705677A (en) * | 2017-11-09 | 2018-02-16 | 湖北汽车工业学院 | Water swirl principle demonstrator caused by earth rotation |
CN110648570A (en) * | 2019-09-12 | 2020-01-03 | 上海交通大学 | A curved-neck model support device for soap film water tunnel experiments |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1187632A (en) * | 1966-06-03 | 1970-04-08 | Schauberger Biotechnik Ag | Apparatus for Agitating a Body of Fluid |
-
2006
- 2006-02-26 RU RU2006105727/28A patent/RU2305869C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1187632A (en) * | 1966-06-03 | 1970-04-08 | Schauberger Biotechnik Ag | Apparatus for Agitating a Body of Fluid |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Гринспен X. Теория вращающихся жидкостей. - М.: Гидрометеоиздат, 1975, с.10. J.B.Flor et all, J. of Fluid Mechanics, 2002, vol.472, p.51-82. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107705677A (en) * | 2017-11-09 | 2018-02-16 | 湖北汽车工业学院 | Water swirl principle demonstrator caused by earth rotation |
CN110648570A (en) * | 2019-09-12 | 2020-01-03 | 上海交通大学 | A curved-neck model support device for soap film water tunnel experiments |
CN110648570B (en) * | 2019-09-12 | 2021-10-08 | 上海交通大学 | A curved-neck model support device for soap film water tunnel experiments |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006105727A (en) | 2006-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bhaga et al. | Bubbles in viscous liquids: shapes, wakes and velocities | |
RU2305869C2 (en) | Method of demonstration of vortex resonance at spin-up and registering electrode | |
CN102749269B (en) | Determination method and determination apparatus for contact angle and interfacial tension | |
CN110501518A (en) | Multi-medium speed meter based on friction nanometer power generation | |
Yayla et al. | The effect of angle of attack on the flow structure over the nonslender lambda wing | |
ES2160135T5 (en) | MAGNETIC-INDUCTIVE FLOW METER FOR THE MEASUREMENT OF NON-NEWTONIAN LIQUIDS. | |
Pritchard | The motion generated by a body moving along the axis of a uniformly rotating fluid | |
Fomin et al. | Dynamics of radial-magnetized microhelix coils | |
Abbott et al. | Theoretical and experimental investigation of flow over single and double backward facing steps | |
Bose | Wetting by solutions | |
KUBO et al. | The role of end plates in two dimensional wind tunnel tests | |
Griffiths et al. | Flow regimes in a wide ‘sliced-cylinder’model of homogeneous beta-plane circulation | |
Black et al. | Suggested method for calibration of Briggs microelectrophoresis cells | |
Mattingly | The Hydrogen-Bubble, Flow-Visualization Technique | |
RU2323482C2 (en) | Method for demonstrating two modes of vortex resonance during rotation of liquid around constrained core and method for comparing sizes of vortices | |
Bardakov et al. | Formation of a regular sequence of vortex loops around a rotating disk in stratified fluid | |
Wing | T wfighi, J seph | |
Dunne et al. | Dynamic separation on a pitching and surging airfoil as a model for flow over vertical axis wind turbine blades | |
Homsy | Design, microfabrication, and characterization of MHD pumps and their applications in NMR environments | |
US4364670A (en) | Electrophoretic elapsed time indicator | |
Zilker Jr | FLOW OVER WAVY SURFACES. | |
CN216411327U (en) | Portable water flow velocity measuring device for water conservancy detection | |
Levitan | Experimental investigation of induced-charge electro-osmosis | |
RU50850U1 (en) | ROTATING DEVICE | |
KR101201975B1 (en) | Ion counting method with electric and magnetic forces |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080227 |