Нет ничего практичнее хорошей теории

О взрывном вскипании, фликкер-шуме, кризисных явлениях, процессах случайных и закономерных…
 

Лаборатория фазовых переходов и неравновесных процессов свое нынешнее название получила в 1988, в год организации Института теплофизики УрО РАН. Ранее же она существовала как лаборатория теплофизики Отдела физико-технических проблем энергетики. Владимир Павлович Скрипов, первый ее заведующий, тогда еще доктор наук, начал здесь изучение критических явлений в системе жидкость — пар, занимался метастабильными фазовыми состояниями вещества. В последующие годы в лаборатории, которой руководит его ученик, член-корреспондент РАН В.П. Коверда, продолжались исследования в этом направлении.
 

Важным этапом стало обнаружение в процессах теплообмена с фазовыми переходами интенсивных низкочастотных пульсаций со спектром мощности, обратно пропорциональным частоте, — так называемого фликкер-шума (1/f-шума). Об этом явлении и взрывном вскипании рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории, доктор физико-математических наук Александр Васильевич Решетников.
 

— Из опыта наблюдения процесса закипания жидкости (не только в лабораторных, но и в бытовых условиях) известно, что температура закипания всегда немного выше температуры собственно кипения. Жидкость как бы «заходит на территорию» другой фазы, а именно фазы газа, то есть за границу стабильности своего существования. Вот этой узкой областью существования перегретой жидкости — существования в метастабильном состоянии — и заинтересовался некогда В.П. Скрипов, предвидя здесь широкое поле для исследований новых свойств и явлений. Одним из первых возник вопрос: насколько глубоко по температуре жидкость может «зайти на чужую территорию»? Оказалось, что для воды это проникновение может достигать 200°, то есть нагретая до 300°C при атмосферном давлении вода все еще может существовать в жидком состоянии. На короткое время (порядка микросекунд), но все же. Верхняя температурная граница метастабильных состояний была определена экспериментально и теоретически и названа спинодалью.
 

— Выглядит как некое «насилие» над природой воды в специальных лабораторных условиях?
 

— Вовсе нет. В природе это явление как раз распространено: температура, превышающая температуру кипения, свойственна гейзерам до (да и после) выхода на поверхность земли, наблюдается и при закалке — резком погружении в воду раскаленного металла.
 

Вскипание вблизи спинодали (предельные перегревы) происходит гораздо интенсивнее, чем при меньших перегревах, недаром его называют взрывным вскипанием. Получается, что область взрывного вскипания жидкости как бы глубоко «упрятана» в поле метастабильных состояний, примыкает к их верхней границе — спинодали. Чтобы в опытах не вызвать преждевременного вскипания и достичь области взрывного вскипания, нужны специальная техника и соответствующие способы. В ИТФ в этом направлении были разработаны свои оригинальные методы. Доктор физико-математических наук П.А. Павлов (сейчас он заведует лабораторией быстропротекающих процессов и физики кипения) предложил для этого нагревать жидкость очень быстро, порядка миллиона градусов в секунду. Для этого мощный электрический импульс подается на тонкую проволоку-проводник, и вблизи него, в малом объеме, можно наблюдать взрывное вскипание. Другая идея принадлежала В.П. Скрипову: резко сбрасывать давление при истечении горячей жидкости из сосуда высокого давления через короткий канал (длиной в несколько миллиметров). Эти фундаментальные исследования области взрывного вскипания в свое время были пионерскими. Например, было установлено, что при истечении горячей жидкости через короткое сопло в условиях взрывного вскипания резко уменьшается ее расход — обнаруживается кризисное поведение расхода. Наблюдения за эволюцией формы струи с повышением температуры выявили еще одну замечательную особенность — полный развал струи в условиях взрывного вскипания (фото).

 При этом струя за пределами сосуда распространяется не вдоль оси канала, а перпендикулярно ей и вдоль внешней поверхности сосуда (веерная струя). Опыты показали, что одновременно с полным развалом реактивная отдача струи резко уменьшается, происходит так называемый кризис реакции струи.
 

Новая страница в деятельности института открылась с «приходом» темы 1/f, или фликкер-шума. Этим термином обозначают случайные процессы, для которых спектральная плотность мощности флуктуаций обратно пропорциональна частоте. Фликкер-шум, первоначально обнаруженный в работе радиотехнических приборов в 20-е годы прошлого века, теперь находят в системах совершенно различной природы: в излучениях космических объектов, в землетрясениях, в разливах рек, в показателях состояния больных диабетом, сердечно-сосудистыми заболеваниями и т.д. А также, например, в музыке и экономике. Владимир Павлович первым принес понятие фликкер-шума в институт. Он также пригласил энтузиастов заняться этой темой, предчувствуя связь между интенсивным парообразованием при высокой метастабильности с генерацией фликкерных флуктуаций. Совместно с молодым профессором УрГУ В.В. Мансуровым им были опубликованы несколько статей на эту тему.
 

Лет через пять с момента первого объявления темы фликкер-шума в институте, а именно, в 1996 году В.П. Ковердой и В.Н. Скоковым был проведен изящный эксперимент. Ими были экспериментально обнаружены интенсивные тепловые пульсации (кризис кипения) при переходе от пузырькового режима кипения жидкого азота к пленочному на тепловом (резистивном) участке высокотемпературного сверхпроводника. Было установлено, что спектр мощности этих пульсаций изменялся обратно пропорционально частоте, т. е. наблюдался 1/f-шум. Авторами была предложена модель, согласно которой возникновение фликкер-шума в системе может происходить в условиях неравновесных фазовых переходов в присутствии белого шума определенной интенсивности. («Белый шум» — шум, в котором колебания разной частоты представлены в равной степени, т. е. в среднем интенсивности волн разных частот примерно одинаковы). Вскоре после этого были обнаружены фликкерные флуктуации при различных неравновесных фазовых переходах: электрический дуговой разряд, горение, кризисное кипение на проволочном нагревателе, акустическая кавитация. Важно отметить, что визуально фликкерные флуктуации часто сопровождаются временными или пространственными фрактальными структурами (фото).
 

Владимир Павлович предложил испытать наблюдаемые тепловые пульсации на фликкерную «сущность» в одной классической теплофизической системе, представляющей собой каплю жидкости на горячей горизонтальной поверхности. Если в опыте проследить за временем жизни капли жидкости (диметр капли ~ 3 мм) с повышением температуры, то наблюдается неочевидная зависимость. В температурном интервале от 100°С до 160°С капля воды живет примерно 0.2–0.3 секунды. При температурах 200°С и выше время жизни достигает 120 секунд. В этом случае капля приобретает устойчивую сфероидальную форму и отделена от горячей поверхности паровой прослойкой, осуществляющей тепловую защиту капли. Для нас как раз интересен переходный режим, наблюдающийся в интервале от 160°С до 200°С. Поскольку в этом интервале чередуется режим полного контакта капли с поверхностью и сфероидального ее состояния и эффективность теплообмена меняется очень резко — примерно в 500 раз, то капля испытывает весьма значительные случайные воздействия. В поведении капли наблюдаются флуктуации высокой интенсивности. Эта интенсивность на порядок, два и более превосходит интенсивность пульсаций в устойчивом сфероидальном состоянии и режиме полного растекания. Именно с такого рода флуктуациями мы и имеем дело во всех случаях с неравновесными фазовыми переходами.
 

Вернемся к процессу истечения горячей жидкости из сосуда высокого давления через короткий канал. Наши лабораторные исследования показали, что взрывное вскипание жидкости при истечении приводит не только к кризисным явлениям, отмеченным выше, но и к интенсивным флуктуациям в истекающей двухфазной струе. Например, заметно флуктуировали угол конуса вскипающей струи (буквально на десятки градусов), плотность и паросодержание истекающей среды в выделенной точке и т.п. И раньше замечали эти флуктуации, но не знали, что с ними делать, не было инструмента для анализа — модели или теории. С появлением модели неравновесных фазовых переходов флуктуации во вскипающей струе подверглись всестороннему исследованию. Оказалось, что взрывное вскипание приводит к появлению в струе фликкерных флуктуаций. А это, в частности, означает, что две темы: взрывное вскипание в условиях предельной метастабильности при истечении, исследование которого было начато В.П. Скриповым в начале 1970-х годов, и возникновение фликкерных флуктуаций в теплофизических системах — органически соединились, что и стало предметом моей докторской диссертации «Флуктуационные явления в неравновесных потоках вскипающей жидкости».
 

Флуктуации обычно выглядят хаотичными, лишенными закономерностей. Но в некоторых присутствует и элемент порядка. Фликкер-шум — это сильно коррелированный случайный процесс. Это означает наличие функциональных зависимостей внутри случайного процесса, И чем больше функциональных зависимостей будет выявлено, тем выше предсказательная сила модели неравновесных фазовых переходов. Предвидя вопрос о практическом приложении наших результатов, можно ответить, что мы видим его во всесторонней и подробной разработке теории. Так как известно, что нет ничего практичнее хорошей теории.
 

Начатый в кабинете, наш разговор продолжился в лаборатории, где А.В. Решетников продемонстрировал на опытах формирование фрактальных структур из движущихся кавитационных пузырьков, образующихся под воздействием ультразвуковых колебаний погруженного в воду излучателя, а также вблизи нагревающейся под воздействием электрического тока тонкой проволоки, погруженной опять же в сосуд с водой.
 

— И все же, есть ли у этих исследований, кроме развития фундаментальной теории, какой-либо практический «выход», связь, так сказать, с повседневной жизнью?
 

— Работа энергетических установок (атомных и тепловых электростанций, котельных и т. д.) связана с использованием горячей воды и пара, протекающим по нескольким сотням километров трубопроводов. Образование течи в таких трубопроводах — довольно обычная ситуация. Поэтому актуальна проблема расчета расходов теплоносителя и усилий на конструкции при истечении, как и принятие адекватных противоаварийных мер. И еще одно приложение объявилось в самое последнее время. В московской Академии государственной противопожарной службы МЧС России за последние несколько лет был создан пожарный автомобиль нового поколения с использованием для пожаротушения температурно-активированной воды (проще, горячей воды). При использовании такой воды образующийся пар становится наиболее эффективным в борьбе с объемными очагами возгорания. Более того, в этом автомобиле нашел применение эффект полного развала струи, обнаруженный в наших лабораторных опытах. Благодаря этому эффекту двухфазная струя воды может достигать ранее недоступных участков горения в закрытых помещениях.
 

Записала Е. ИЗВАРИНА