Автор: P. З. АЛИМОВ, Г. Р. МИНГАЛЕЕВА

Доктор технических наук P. З. АЛИМОВ, Казанский государственный технический университет, кандидат технических наук Г. Р. МИНГАЛЕЕВА, Казанский государственный энергетический университет

Развитие человеческой цивилизации неразрывно связано с ростом энергопотребления. Однако возможности традиционных источников энергии (древесина, горючие сланцы, торф, каменный уголь, газ, нефть), атмосферного ветра, солнечного излучения и т.д. по различным причинам ограничены, да и распределены они по регионам Земли крайне неравномерно. Широкие перспективы в энергетике открылись после начала применения атомной энергии. Но повсеместное развитие последней сдерживается рядом нерешенных экологических и связанных с безопасностью проблем. Поэтому поиск и внедрение экологически чистых, экономически более рентабельных источников энергии - важнейшая задача, стоящая перед научным сообществом.

стр. 17

В настоящее время специалисты пытаются оценить эффективность установок, использующих энергию морских и океанических волн. В рамках этого поиска нужно глубже изучить такие явления, как атмосферные циклоны (ураганы, тайфуны, торнадо и т.д.), являющиеся генераторами морских и океанических волн. Дело в том, что при наличии в гидродинамической системе подобного вихря, помимо обычной ветровой составляющей, из-за более емкой вращательной компоненты скорости движения, она представляет собой огромный резервуар энергии, которая пока, к сожалению, расходуется лишь на колоссальные разрушения. Но для оценки энергетических возможностей атмосферных циклонов, получения результатов (пусть даже проблемного, дискуссионного характера), необходимо рассмотреть физический механизм их формирования и развития.

МЕХАНИЗМ ЗАРОЖДЕНИЯ ЦИКЛОНА

Наблюдения за образованием и развитием циклонов, изучение их закономерностей ведут уже давно, так что накоплен большой фактический материал.

Наиболее типичная схема их зарождения такова. Как известно, одни места поверхности земли солнце прогревает сильнее других. Массы воздуха, подогреваемые этими "горячими" участками, поднимаются кверху в виде столба, причем процесс усиливается, если в восходящий поток попадают молекулы водяного пара, поскольку последний легче воздуха. Вот почему подавляющее большинство мощных циклонов появляется над океанами.

К освободившемуся месту с пониженным давлением из окружающего более холодного приземного слоя притекают новые воздушные массы. Достигнув нагретого участка, они прогреваются, насыщаются водяным паром, и под углом 90 ^o "взмывают" вверх. Скорость их подъема в таком локальном потоке может достигать 100 м/с, а поперечный его размер составляет от нескольких метров до сотен километров. Этот процесс происходит в пределах тропосферы (10 - 15 км от поверхности земли), где сосредоточена основная масса воздуха и водяного пара, формируются облака, выпадают осадки, разыгрываются многие другие явления.

Короче говоря, циклон в стадии рождения подобен тепловой машине, работающей от солнечной энергии. Она отличается от дымовой трубы, печки или самовара, действующих по тому же принципу, лишь своей масштабностью, отсутствием стенок, ограничивающих и направляющих поток воздуха, а также тем, что нагрев осуществляется солнечным излучением в условиях сравнительно небольших температур и градиентов их изменения.

САМОВРАЩЕНИЕ ЦИКЛОНА

Следующий этап развития - спонтанное (самопроизвольное) вращение столба воздуха по спирали. Механизм этого явления до конца еще не ясен. Тем не менее большинство исследователей склоняется к версии, что основной причиной, приводящей во вращательное движение все циклонические образования, к которым, кроме циклонов, относятся также антициклоны (различие между ними заключается в том, что у первых внутри вихря пониженное атмосферное давление, а у вторых - повышенное), смерчи (воздушные, пыльные, песчаные, снежные, огненные) и жидкостные воронки, является воздействие на них силы Кориолиса* (с ее помощью, в частности, объяснено большее изнашивание одного из рельсов ровной железнодорожной колеи, больший размыв одного из берегов реки). Она действует на все объекты,

* Сила инерции, вводимая для учета влияния вращения подвижной системы отсчета на относительное движение тела (прим. ред.).

стр. 18

стр. 19

Радиально-восходящее течение воздуха с образованием вертикального столба в начальный момент рождения атмосферного циклона.

движущиеся на поверхности вращающегося тела, в данном случае Земли. В соответствии с этим циклоны, самогенерирующиеся в Северном полушарии, согласно существующему здесь правилу знаков, вращаются против часовой стрелки, а антициклоны - наоборот, в Южном полушарии наблюдается обратная картина. Правда, поведение смерчей и, в особенности, жидкостных воронок значительно отклоняется от этих правил. Например, последние вращаются с одинаковой вероятностью в обоих направлениях, независимо от полушария, в котором они возникли.

Эти факты многих заставляют сомневаться в достоверности гипотезы, считающей первопричиной начального вращательного импульса

стр. 20

Схема течения воздуха в атмосферном циклоне с закруткой по спирали.

циклонических образований силу Кориолиса. Нам же представляется, что она лишь вносит определенный вклад в создание направленной асимметрии силового поля окружающего фона, способствующей усилению или ослаблению спонтанно возникающей по другой причине вращательной составляющей движения воздуха.

Подчеркнем, самовращение циклонов убедительно не объясняет ни одна из существующих разновидностей гидромеханической теории, а также известные гипотезы термодинамического, электрического, электромагнитного и другого происхождения.

С нашей точки зрения, наиболее оправданно рассматривать механизм возникновения самопроизвольного вращения столба воздуха по спирали как результат наступающей при определенных условиях потери устойчивости основного движения жидкости и газа с бифуркацией (разветвлением) его на несколько различных по структуре вариантов и продолжением процесса уже по одному из них, как правило, требующему для этого наименьших энергетических затрат.

В подтверждение таких предположений можно сказать следующее. Характерная особенность всех циклонических образований при переходе течения из горизонтального направления в вертикальное - появление в каждом из них участка крутого поворота под прямым углом, изогнутому подобно колену трубопровода. Специалисты установили: гидравлическое сопротивление в этих местах достаточно высокое. Но оно становится еще больше, если такой поворот потока сопровождается ударной встречей движущихся в противоположных направлениях струй с изме-

стр. 21

Схема работы "циклонической" электростанции. (Для лучшего обзора показана лишь одна струя циклона-смерча.)

стр. 22

нением размеров и формы их поперечных сечений, как это имеет место в рассматриваемом нами случае.

В таких условиях у потока жидкости и газа появляется возможность "выбора" (точка бифуркации) характера последующего его течения: продолжать ли двигаться (с большими энергетическими затратами) прямо на препятствие, оставаясь при этом в неустойчивом состоянии, или искать для продолжения движения другие пути. Очевидно, жидкостям и газам, обладающим свойством самоорганизации своей структуры, в полном соответствии с известными законами механики "выгоднее" наименее энергозатратный режим течения жидкости, т.е. преодоление участка изгиба траектории плавным движением по спирали (напомним: змеевики не имеют участков крутых изгибов с большим местным гидравлическим сопротивлением и поэтому в них происходит сравнительно небольшая потеря энергии на преодоление сопротивления трения). Эксперименты показывают: это положение реализуется с тем большей вероятностью, чем выше асимметричность окружающего фона, дающая толчок окончательной потери устойчивости уже ставшей неустойчивой системе.

Важно отметить: та же картина потери устойчивости осесимметричного (симметричного относительно центральной оси) потока наблюдается во всех известных явлениях природы, а также в технических устройствах, имеющих внутри себя участки крутого поворота течения - циклонических образованиях в местах резких поворотов рек, в изогнутых под прямым углом коленах, заглушенных участках трубопроводов с подачей жидкости через отверстия в их стенках и т.д. Выходит, принцип преодоления участка крутого изгиба потоком жидкости и газа с минимальными потерями энергии за счет движения по спирали или с образованием серии спиральных макровихрей - явление универсальное и не зависит от масштабов системы.

Исходя из вышесказанного, механизм зарождения атмосферных циклонов с закруткой по спирали можно представить следующим образом. Постоянно действующие на нагреваемом солнцем участке земной поверхности подъемные силы плавучести (подъемные силы, появляющиеся от разности удельного веса отдельного участка жидкости или газа) "раскручивают" возникшее там право- или левостороннее вращательное движение воздушного потока. При этом радиус (плечо) постепенно увеличивается, чему способствуют вовлеченные в процесс центробежные силы, а также возрастание расхода, происходящее в гидравлических системах при понижении их сопротивления (при постоянном напоре в системе уменьшение ее сопротивления приводит к возрастанию расхода жидкости или газа, текущих по ней, по закону сохранения энергии). Все вместе взятое приводит к интенсивному росту момента количества движения и, как следствие, - к вовлечению огромных масс воздуха в мощное, быстро ускоряющееся движение, продолжающееся до тех пор, пока в ядре циклона не будет достигнут газодинамический барьер, определяемый скоростью звука в воздухе (в трубах без наличия специальных элементов скорость газа может расти только до скорости звука, т.е. до так называемого газодинамического барьера).

Полученный начальный вращательный импульс с равновероятными направлениями вращения (по часовой стрелке или против) по мере удаления циклона от места зарождения подвергается дополнительному воздействию других факторов различной физической природы, в том числе и силы Кориолиса. И если результирующее воздействие будет ослаблять приобретенный импульс, то циклон сам по себе "угаснет". В противном случае он, усиливаясь, начнет разрушительное движение по земле, пока не растратит свою энергию.

"ЦИКЛОНИЧЕСКИЕ" ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Сказанное выше позволяет прогнозировать возможности практического использования циклонов, скажем, для сооружения соответствующих электростанций.

Ключевая проблема при этом - поиск и выбор интенсивно нагреваемого солнечными лучами или теплыми течениями, обильно увлажненного участка поверхности земли, окруженного более холодной подстилающей поверхностью, с организацией там сквозного восходяще-вращательного движения мощного столба влажного воздуха. Создаваемая гидродинамическая система будет отличаться от обычно наблюдаемого смерча лишь фиксированным (относительно местности) положением оси ее вращения, реализуемым должным инженерным решением. Полученный поток может приводить в действие установленное в нем колесо воздушной турбины, вращение от которого посредством надежно закрепленного на растяжках длинного высокопрочного стального вала будет передаваться генератору электрического тока, расположенному в помещении в центре бассейна. Мы полагаем, что инженерные проблемы не будут определяющими для воплощения этого проекта в жизнь.

Расчеты показывают: энергетическая мощность нагреваемого участка диаметром около 1 км при режиме функционирования там обычного стационарного циклона-смерча, когда скорость подъема и вращения воздуха составляет 100 и 300 м/с, соответственно, будет равна _~ ^~ 5*10 ¹¹ Вт. То есть эквивалентна мощности крупнейшей традиционной электростанции. Причем "циклонические" электростанции по сравнению с тепловыми и атомными значительно выигрывают в экологическом плане.

Подытоживая вышесказанное, хочется подчеркнуть, что это не фантастика, а одно из направлений развития энергетики будущего. Необходимо лишь интенсифицировать исследования по этой проблеме с охватом вопросов инженерного обеспечения с учетом ряда неблагоприятных условий, затрудняющих процесс стационарного циклонообразования в реальных условиях (циклический сезонно-суточный характер нагрева, образование облаков, выпадение осадков, вероятностный характер направления вращения, радиальное перемещение массы под действием центробежных сил, воздействие горизонтальных градиентных сил и т.п.).

Постоянный адрес данной публикации: