Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

мгновенно разрушались, как только их вбрасывали в вертикаль­ ную воздушную струю. Степень разрушения также была неодина­ ковой и носила случайный характер. В большинстве своем круп­ ные капли разрушались на одну-две большие капли (диаметром 1,5—3,5 мм) и значительное количество более мелких капель (диа­ метром меньше 1 мм). Но в ряде случаев визуально наблюдалось как бы кольцеобразное разрушение капель, когда они распадались на семь—девять капель примерно одинакового размера, разлетаю­ щихся радиально. Ленард обнаружил, что разрушению капель предшествовало их сплющивание.

Рис. 27. Скоростная съемка (около 100 кадров/с) динамики грибо­ образного разрушения крупной водяной капли в вертикальной струе воздуха. По Гохшвендеру (см. в [394]).

Гохшвендер (см. в [394]), применив скоростную съемку, полу­ чил возможность проследить динамику разрушения крупных ка­ пель (рис. 27). На рисунке видно, что вначале капля сплющива­ ется снизу, а затем воздух врывается в каплю и растягивает ее поверхность таким образом, что образуется нечто вроде сфериче­ ской шляпки гриба. У «гриба» нижние края утолщены, а вверху образуется тонкая пленка пузыря, которая растягивается под дей­ ствием давления воздуха. Размеры «гриба» перед моментом раз­ рушения в несколько раз превышают эффективные размеры капли. Метьюс и Мейсон [436] получили, что некоторые капли с эквива­ лентным диаметром 15 мм увеличивались перед грибообразным разрушением до 50 мм, а Котон и Гокхейль [272] обнаружили, что капля диаметром 8,8 мм перед разрушением увеличила свой размер до 25 мм. При разрушении из пленки образуется огромное коли­ чество мельчайших капелек, в том числе размеров тяжелых ионов (ІО-7— ІО-8 м) [124]. В. И. Арабаджи [7] получил, что при нало­ жении на объем, где происходило разрушение капель, поля напря­ женностью около 1 • ІО5 В/м не происходило каких-либо изменений в интенсивности разрушения по сравнению с опытами без поля.

84

Исследования разрушения капель в вертикальных струях воз­ духа имеют свои специфические особенности, присущие в первую очередь ранним работам: большая турбулентность воздуха и зна­ чительные градиенты скорости воздуха как по горизонтали, так и по вертикали. Поэтому представляют значительный интерес иссле­ дования разрушения капель при падении с большой высоты, как правило, в спокойном воздухе. Мейсон [115] упоминает об экспе­ риментах Девиса, который сбрасывал капли дистиллированной воды с высоты 9—12 м в спокойном воздухе. Высота падения около 9 м оказалась достаточной для разрушения капель диамет­ ром больше 12,6 мм, а высота 12 м — для разрушения капель диа­ метром 10,8 мм. При этом разрушение наступало на последнем трехметровом участке пути падения капель. Меррингтон и Ри­ чардсон [441] продолжали эксперименты Девиса и для высот 15 и 38 м получили критический диаметр капель, равный 10 мм. Фур­ нье д’Альб и Хидаетула [191, 300а] исследовали разрушение ка­ пель, сбрасываемых с разных высот до 20 м. В этих условиях раз­ рушались только крупные капли, размером от 8,5 до 12,5 мм. Количество фрагментов находилось в пределах от 3 до 97. Боль­ шая часть фрагментов имела размеры 2—3 мм и только несколько из них 6—8 мм. При исследованиях разрушения капель в верти­ кальной струе Кениг [367] обнаружил, что из одной крупной капли

Бланшар [235], создав с помощью воронки поток с меняющейся вертикальной скоростью, мог удерживать капли в струе многие минуты. Это позволяло получать сведения о поведении капель при падении, в частности зависимость величины осей сплющенной капли от ее эффективного диаметра. С увеличением размеров ка­ пель быстро растет большая, горизонтальная ось капель. Для капли диаметром 9 мм большая ось почти удваивается, достигая 17 мм. Бланшар также обнаружил, что устойчивость капель зави­ сит от направления ускорения потока. Если ускорение направлено вверх, то вероятность разрушения капель увеличивается, если же направлено вниз, то она уменьшается — устойчивость капель воз­ растает.

Котон и Гокхейл [272] несколько видоизменили метод взвеши­ вания крупных капель в вертикальном потоке воздуха, разрабо­

струе, в которой отсутствует интенсивная турбулентность, выпол­ ненные Танака [546], показали, что капли диаметром около 7 мм имеют склонность дробиться на две сравнительно крупные капли и несколько более мелких. Перед разрушением наблюдается до­ вольно сильная осцилляция капель.

85

Если при слиянии образуется капля размером, превышающим критический, то вслед за слиянием наступает разрушение вновь

•образовавшейся капли. Слияние капель диаметром 5,5—10 мм и их последующее разрушение наблюдал Бланшар [235] в верти­ кальной струе воздуха. Если меньшая капля попадала в след большой капли, то она увеличивала скорость своего падения, до­ гоняла большую каплю и соединялась с ней. Немедленно вслед за этим происходило разрушение на довольно большие фрагменты миллиметровых размеров.

Ганн [328] обнаружил, что при центральном соударении двух капель радиусом 2 и 2,5 мм с относительной скоростью 3,4 м/с происходило их слияние и образование диска с утолщенными кра­ ями и множеством отростков. Диаметр диска в 5—6 раз больше диаметра исходных капель. Из краев вырывались многочисленные капельки весьма малых размеров. Одновременно происходило утолщение краев и уменьшение размеров диска. В некоторый мо­ мент диск взрывался с образованием значительного числа капель. При увеличении скорости соударения до 4,5 м/с диаметр диска увеличивался в 8—10 раз по сравнению с диаметром исходных капель. При нецентральных соударениях диск имел вытянутую форму.

Механизм слияния крупных капель, диаметром 3,5—9 мм, с по­ следующим разрушением результирующей капли в вертикальной воздушной струе исследовался также Котоном и Гокхейлем [272]. При кильватерном следовании малой капли за большой происхо­ дило их слияние с последующим разрушением почти в 60% случаев. Было обнаружено два основных типа разрушения объединенной капли: гантеле- и грибообразный. В первом случае капля некото­ рое время осциллирует, а затем разрушается на 2—10 капель миллиметровых размеров. Во втором случае разрушение происхо­ дит так же, как при грибообразном разрушении одной крупной капли в турбулентном потоке. Но, кроме этих двух основных ти­ пов разрушения, был обнаружен еще ряд промежуточных типов, имеющих черты как гантелеобразного, так и грибообразного типа. В этих случаях образуется до 15 капель миллиметровых размеров. На рис. 28 представлен случай кильватерного слияния капель диа­ метром 6 и 7,5 мм, причем немедленно после слияния произошло разрушение результирующей капли на меньшие капли, располо­ жившиеся в виде дуги. Исследования Магарвея и Гелдарта [412] показали, что при слиянии крупных капель разных размеров также может происходить их разрушение на большое число фраг­ ментов. Если капли диаметром 4 мм и больше соударяются с кап­ лями диаметром 2 мм и больше, то вероятность разрушения со­ ставляет 20—40% от числа соударений.

Так как соударение больших капель — явление сравнительно редкое, то представляют интерес эксперименты Адама и др. [210] по соударению капель радиусом 60 и 300 мкм с последующим их разрушением. Капли, создававшиеся двумя одинаковыми генера­ торами, соударялись друг с другом с определенной скоростью. Для

■86

Рис. 28. Скоростная съемка (2000 кадров/с) со­ ударения с относительной скоростью 3 м/с, слия­ ния и немедленного разрушения двух капель диа­ метром 6 и 7,5 мм. Снимки через каждые четыре кадра. По Котону и Гокхейлю [272].

разрушения капель радиусом 300 мкм требовалось, чтобы скорость их лобового соударения составляла 0,12 от их конечной скорости

Непосредственные измерения диаметров капель разных типов дождей показали, что в обложных дождях максимальный диаметр капель не превышает 4 мм. В ливневых дождях наблюдаются капли больших диаметров, 5—6 мм. Только несколько сообщений [505 и др.] указывает на существование капель диаметром 7 мм. Следовательно, если на высотах в кучево-дождевых облаках и имеются капли диаметром более 5—6 мм, то при падении боль­ шая их часть уменьшается до размеров, не превышающих указан­ ные. Поэтому надо допустить, что в облаках существуют процессы, которые препятствуют росту капель, достигших по диаметру 5— 6 мм. Такими процессами могут быть спонтанное разрушение ка­ пель и их разрушение при соударении друг с другом и твердыми частицами.

Исследования Бланшара и Спенсера [239] в какой'-то степени подтвердили такие предположения. Струя воды, выпускавшаяся

•с высоты 60 м в спокойный воздух, создавала у земли дождь ин­ тенсивностью 190—1900 мм/ч. Наибольшие капли имели диаметр 9 мм. Бланшар и Спенсер получили, что капли диаметром больше 5 мм разрушаются при падении на несколько сотен метров и что вследствие соударения капель должен установиться экспоненци­ альный тип распределения, наблюдаемый в дождях.

1.10.2. Разрушение капель при соударении с градинами. Срывание капель с градин при таянии

Вследствие срывания капель с градин в областях мокрого роста и в результате таяния градин в грозовых облаках сущест­ вует смесь градин и капель. Тем самым предопределяется соуда­ рение градин с каплями и разрушение последних. Возможны два типа соударений — лобовые и касательные. К первым следует от­ нести все те соударения, при которых капли отражаются от ниж­ ней части градины без существенного скольжения, а ко вторым — ■соударения со скольжением и отрывом в верхней части градины.

Из опытов В. М. Мучника [130], Шевчука и Ирнбарне [515, 516] следует, что при лобовых соударениях степень дробления возра­ стает с увеличением скорости соударения градин и капель. С уве­ личением размеров капель также происходит увеличение степени дробления. Если модель градины была покрыта водяной пленкой, то наблюдалось возрастание количества мельчайших капелек по сравнению с опытами с сухими моделями. При касательных соуда­ рениях капли с градиной происходило срывание воды в виде струйки, которая дробилась на мелкие капельки.

88

Вопрос об углах соударения градин и капель, при которых на­ блюдается переход от лобовых соударений к скользящим, совер­

(отсчет угла ведется от вертикали). Значение критического угла имеет тенденцию к уменьшению с увеличением скорости соуда­ рения.

Бланшар [236] исследовал механизм срывания капель с поверх­ ности тающих градин в вертикальном потоке воздуха. По мере таяния вода сгоняется потоком воздуха вверх по поверхности гра­ дины, в результате чего непосредственно над горизонтальной эква­ ториальной линией образуется ободок из воды. В какой-то момент

к вершине, по-видимому, под действием гидродинамических сил, вызванных понижением давления в кильватерном следе градины. Как указывает Бланшар, иногда отрываются капли диаметром до 5 мм, которые в свою очередь раздробляются на значительное число более мелких капелек.

1.10.3.Относительная потеря массы каплями

всильных электрических полях

Вразделе 1.5 приведены сведения о влиянии сильных электри­ ческих полей на возникновение неустойчивости капли, в резуль­ тате которой происходит выбрызгивание струек. Здесь будет рас­

смотрена потеря массы каплями как следствие выбрызгивания

взависимости от напряженности поля выше критической.

Вэкспериментах Зелени [591] было обнаружено, что с увели­ чением потенциала, прилагаемого к капилляру с каплей на конце, происходило увеличение интенсивности струек, вырывающихся из поверхности воды. Количественные соотношения были впервые по­ лучены Мекки [411] при падении капель в горизонтальном элек­ трическом поле в течение примерно 0,05 с.

Как следует из табл. 12, потеря массы возрастает с увеличе­ нием размеров капель и напряженности поля выше критической при коронном разряде. В случае искрового разряда потеря массы резко возрастает по сравнению с потерей при коронном. Вместе с тем потеря массы с положительно поляризованного конца капли значительно превышает потерю с отрицательно поляризованного конца. Доусон [278] объяснил это явление воздействием коронного разряда, который происходит одновременно с выбросом струйки. Коронный разряд слабо влияет на выброс с положительного по­ люса и сильно — на выброс с отрицательного.

Более полные и тщательные исследования были выполнены Леземом [375]. Он определил потерю массы каплями как функциюнапряженности поля (рис. 29) и времени экспозиции (рис. 30). При экспозиции 0,2 с потеря массы каплей радиусом 1,91 мм

89'