ВИХРЕВАЯ МЕХАНИКА ПЕРЕМЕЖАЮЩИХСЯ СРЕД
(ПОСОБИЕ ДЛЯ ВСЕХ ИНТЕРЕСУЮЩИХСЯ)

Александр Григорьевич Прудников, д.т.н., ЦИАМ

Традиционное представление об аэродинамике и гидродинамике строится на выдвинутом в свое время Леонардом Эйлером предположении о том, что любое внешнее воздействие на поток движущейся жидкости (газ - частный случай жидкости) производит изменение во всем потоке, захватывая его в большей или меньшей степени. Это зависит от силы воздействия, свойств потока, удаленности его от объекта возмущения. Однако ни летательный аппарат, ни его двигатель с воздушным потоком, описываемым механикой сплошных сред, непосредственно не взаимодействуют. Все процессы, которые обычно имеют место в авиации, - сжатия, энергоподвода, тепломассообмена и расширения - реализуются в зоне непосредственного контакта аэродинамических поверхностей с пристенными и свободными слоями газа (пограничными слоями воздуха, горючего и продуктов сгорания). Эти уже совершенно отличные от знакомых нам по школьной физике процессы и описываются вихревой механикой перемежающихся сред.

Представление о механике перемежающихся сред (МПС) проще всего получить от наблюдателя, фиксирующего взглядом движения любого людского сборища: рынка, стадиона, танцплощадки, а о вихревой механике (помимо приведенного в заголовке отрывка из классика) - от наблюдающего движение танцующих пар "в вихре вальса". Некоторое представление о вихревой механике перемежаемых сред получаем при взгляде на то же людское сборище сразу после неожиданного звука сирены. В этих движениях есть все необходимое из арсенала МПС: детерминированность и стохастичность движений; прерывистое чередование разных сред, или перемежаемость; многообразие сред, их движений и граничных условий, поскольку каждый танцующий, каждая пара, хоровод, ансамбль и т.п. - это своя среда, свои движения и свои граничные условия.

Явление налицо. Однако в подходе к его изучению мы встретим еще и многообразие и иерархичность "научных" подходов: классический "аэромеханик сплошной среды" с профессиональной легкостью отметет все среды, кроме воздушной, как "досадное отступление от классики"; "аэродинамик-эмпирик" не зафиксирует и ее, если не случится сквозняка (у него и датчиков таких в нужный момент не окажется); "экологист" с восторгом обнаружит наличие NOx, забыв про все остальное; ортодоксальная феминистка принципиально не заметит мужскую половину в танце; профессиональный мошенник не примет во внимание всех, на ком нет драгоценностей.

…Этот ряд "исследователей-профессионалов" можно продлить до бесконечности. При этом для облегчения изучения выбранного множества сред, их плотностей, взаимных влияний и других параметров движения каждый "исследователь", несомненно, установит свою иерархичность и последовательность изучения выбранной им многокомпонентной среды. Кардиолог, стоматолог, проктолог или окулист, берясь за изучение предмета своего обожания (или поддержки существования), сначала абстрагируются от несущественного для их науки влияния прочего организма.

Из этих житейских адекватных аналогий видно, что эйлеров подход к МПС как к непрерывному движущемуся полю с непрерывным распределением статических и динамических параметров в неподвижной декартовой системе координат будет близок к истинному только в крайне малом объеме исследуемой среды за время ее прохождения через точку регистрации текущего значения параметра.

Для совокупности МПС необходимо эйлерово-лагранжево описание всех событий во все столь же неподвижной декартовой системе координат.

Двигаясь дальше по пути аналогий: "человек - крупный вихрь - среда", вслед за открытиями вихревой аэромеханики второй половины прошлого века, начинаем лучше понимать их глубину. Каждый крупный вихрь тоже рождается, растет и умирает. При этом он образуется (рождается, если хотите) путем спаривания ("пейринга") только, точнее чаще, от двух предыдущих крупных вихрей. Вихрь может быть черным, белым, "метисом" или "мулатом", если его "родители" - спутные потоки - были изначально белыми или черными (например, потоки молока и черного кофе, извести и мазута), "желтым" или даже "голубым", если в продуктах сгорания присутствует или отсутствует сажа; имеет среднюю поступательную скорость, определяемую долей участия своих "родителей" - спутных потоков. Для всех спутных потоков вихреобразование идет с преобладанием массовой доли менее ограниченного спутного потока. В отличие от своих "родителей" крупные вихри имеют не только поступательную, но и вращательную скорость. При каких-то сочетаниях поступательной и вращательной скорости они могут даже "играть в чехарду", чего не могут их "родители", крупные стабильные вихри (точнее: уже не могут, ибо в молодости - могли, но со временем, остепенились и "затухли").

Крупные и мелкие вихри - два разных мира, две разные среды обитания, с разными источниками энергии и законами существования. Если "человек-среда" аналог "крупного вихря-среды", то мелкие среды обитания (на человеке и внутри него) - аналог турбулентности. Идеально "гладкий" человек, как и ламинарный вихрь не имеет "турбулентности" или выдающихся деталей по определению.

(Продолжение в следующем номере).