Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

что 9к~1,3-10-14 Кл. Следовательно, моделированный заряд ока­ зался весьма большим и должен был бы влиять на коэффициент соударения. Это указывает на необходимость весьма осторожно оценивать результаты моделирования действия электрических сил на процессы коагуляции капель.

Процесс коагуляции капель разделяется на два процесса, пер­ вый из которых состоит из сближения и соударения капель, а вто­ рой — из их слияния. При теоретическом рассмотрении коагуля­ ции разделение этих двух процессов не вызывает каких-либо затруднений. Это позволило теоретически исследовать условия со­ ударения капель. Совершенно иным оказывается состояние теории слияния капель — она фактически отсутствует. Поэтому доста­ точно полная теория коагуляции капель как единого процесса еще не разработана, хотя такая необходимость существует. Имеется достаточно оснований полагать, что на близких расстояниях, по­ рядка долей радиуса большей капли, взаимодействие капель обус­ ловливается не только их движением как твердых сфер, но и осо­ бенностями искажений формы в зазоре между ними.

как суждение о коагуляции основывается на конечном эффекте — происходит или не происходит их слияние. Более или менее де­ тальное исследование самого движения капель проводилось в мо­ дельных экспериментах, которые не могут полностью имитировать

сил, положение совершенно меняется, так как в зазоре появляется значительное искривление поверхности, которое необходимо учи­ тывать при расчетах коэффициента эффективности соударения. Кроме того, следует принять во внимание циркуляцию капель и их деформацию под действием внешних сил.

1.4. СЛИЯНИЕ к а п е л ь

Вопрос о слиянии капель возник при экспериментах со струями жидкости, распадающимися на отдельные капли. Было замечено, что капли часто соударяются друг с другом, но не всегда происхо­ дит их слияние. Релей [479, 480] обнаружил, что при почти цент­ ральных соударениях капли несколько сплющиваются перед слия­ нием, а при скользящих соударениях между ними возникает перемычка, которая приводит к их слиянию. Если же слияние не

36

происходит, то перемычка разрывается, образуя мелкие капельки. Было высказано предположение, что процесс слияния капель заключается в продавливании воздушной прослойки в зазоре между ними почему-либо образовавшимся выступом. Электри­ ческие силы приводят к увеличению выступов и облегчают слияние капель.

М. А. Агамии [3] исследовал слияние капель радиусом от 0,5 до 1,2 мм с весьма тонкой пленкой воды, нанесенной на плоское зер­ кало. При углах встречи капли с зеркалом от 10 до 45° ее слияние с пленкой происходит во всех случаях, когда нормальная состав­ ляющая скорости к зеркалу превышает некоторую критическую

этого критического заряда пропорциональна радиусу капель. При зарядах, близких к критическим, между каплей и пленкой проис­ ходит образование перемычки, которая не образуется в их отсут­ ствие. Условия образования перемычки определяются разностью потенциалов, свойствами воздушной прослойки между каплями и поверхностным натяжением. Он обнаружил, что потери воды через перемычку в первом приближении пропорциональны вели­ чине зарядов. Сходные результаты были получены при соударе­ нии капли с неподвижной каплей, выжимаемой из вертикально установленного капилляра.

Для выяснения причины иеслияния капель летучих жидкостей Б. В. Дерягин и П. С. Прохоров [38] исследовали капли, находя­ щиеся в длительном контакте друг с другом. Профиль зазора между каплями обнаружил довольно широкие «ворота», которые соединяли его внутренний объем с окружающим воздухом. Если окружающая капли атмосфера не насыщена, то в зазоре возни­ кает некоторое препятствующее их слиянию избыточное давление паров, которые диффундируют через «ворота».

Линдблад [396] наблюдал время задержки слияния капель воды (время от начала сплющивания капель до их слияния) ра­ диусом 6,5 мм, выдавливаемых со скоростью 7 ,6 -ІО-5 и 15,2Х ХІ0~5 м/с из вертикально расположенных трубок. Независимо от влажности воздуха, скорости соударения и разности потенциалов между каплями образовывался симметричный зазор, который не сообщался с окружающей атмосферой. Причину этого Линдблад видел в том, что вода принадлежит к менее летучим жидкостям, чем жидкости, использованные Дерягиным и Прохоровым. Время задержки слияния оказалось порядка сотен микросекунд. Оно несколько увеличивалось с увеличением влажности воздуха и уменьшением скорости соударения и в среднем составляло 210± ±70 мкс. С повышением разности потенциалов от 0 до 1 В проис­ ходило весьма быстрое уменьшение времени задержки слияния. Под действием электрических сил ширина зазора была в несколько раз меньше, а профиль — значительно более резко выраженным, чем при их отсутствии.

37

П. С. Прохоров н В. Н. Яшин [159] изучали зависимость слия­ ния водяных капель радиусом 0,4 мм при соударении от влаж­ ности воздуха. Увеличение влажности воздуха увеличивало вероятность слияния капель. Такие же опыты при переменной влажности воздуха от 36 до 100% выполнили Н. П. Тверская и Н. П. Юдина [178]. Для капель как равного, так и близких разме­ ров повышение влажности воздуха приводило к увеличению эф­ фективности слияния. Увеличение скорости соударения приводило к уменьшению вероятности слияния, причем в большей степени для малой влажности воздуха.

Н. П. Тверская [177] исследовала зависимость эффективности слияния капель радиусом около 1 мм от их зарядов. На эффек­ тивность слияния капель заряды оказывают значительное влияние не только в случае, если они разноименные, но и если они одно­ именные. Эффективность слияния заряженных капель увеличива­ ется с увеличением относительной влажности воздуха и уменьше­ нием скорости их соударения. Н. П. Тверская указала на влияние электрических сил на поверхностное натяжение жидкости как на одну из причин, облегчающих слияние капель. Существует неко­ торая критическая разность потенциалов, при которой вероятность слияния капель данных размеров, соударяющихся с определенной скоростью, становится равной 100%. Различие между значениями разности потенциалов для вероятности слияния капель 100 и 0% составляет около 2 В.

Пламли (см. [511]) исследовал влияние разности потенциалов от 0 до 10 В на слияние капель при их сближении. Он обнаружил, что ток появляется еще до момента видимого слияния. Поэтому Пламли считает, что так как разность потенциалов невелика и не может вызвать пробой между каплями, то появление тока озна­ чает начало переноса массы и, следовательно, является начальной стадией слияния капель. Время от начала появления тока до ви­ димого слияния можно считать временем задержки слияния. Оно обратно пропорционально разности потенциалов и имеет значение порядка долей миллисекунд.

Опыты Фрайера [301] показали, что электрическое поле напря­ женностью от 3- ІО4 до 3- ІО5 В/м оказывает заметное влияние на слияние капель радиусом около 5 мм. В этих опытах скорость соударения была пренебрежимо мала по сравнению с конечной скоростью падения капель таких размеров. Таким образом, в опы­ тах Фрайера воспроизводились условия слияния при падении крупных капель близких размеров. Влажность воздуха соответст­ вовала комнатной.

Исследования влияния электрического поля на вероятность слияния капель радиусом 1 мм при соударении с относительной скоростью около 0,5 м/с были выполнены Монтгомери и Доусоном [446]. Поле напряженностью от ІО3 до 1,2-ІО4 В/м не оказывало заметного влияния на эффективность слияния капель, которая оказалась равной около 50%. Влажность воздуха в этих опытах была, по-видимому, далекой от насыщения.

38

Все рассмотренные выше эксперименты касались слияния круп­ ных капель примерно равных размеров. Они представляют инте­ рес для выяснения механизма слияния капель в кучево-дождевых облаках. Но особый интерес представляют процессы слияния ка­ пель облачных размеров. Именно здесь встречаются большие экс­ периментальные трудности; так, становится трудно отличать случаи слияния капелек от случаев, когда они проходят близко друг от друга без слияния. Поэтому основные сведения о коэффи­ циентах эффективности слияния капель облачных размеров друг с другом и с крупными каплями получены на основании косвен­ ных данных.

Свинбенк [537], наблюдая капельки радиусом в несколько ми­ крометров, пришел к выводу, что при их соударении слияние не происходит. Он пытался обосновать это следующим образом. В начальный момент слияния капель происходит некоторое увели­ чение их поверхности, что равносильно существованию некоторого энергетического барьера. Если кинетическая энергия соударения капель меньше величины этого барьера, то слияние не может про­ изойти. Однако Браун и Хадсон [247] на основании геометриче­ ских соображений пришли к выводу, что такой барьер не сущест­ вует. Причина отсутствия коагуляции в опытах Свинбенка [537] заключается, по-видимому, в том, что соударений между капель­ ками не было.

Из согласия между данными опытов Ганна и Хитчфельда [320] и вычислениями коэффициентов эффективности соударения по Лэнгмюру вытекает, что коэффициент эффективности слияния ка­ пель радиусом 1,6 мм с капельками радиусом до 50 мкм в усло­ виях насыщения равен единице. Эти данные были получены с ка­ пельками, образующимися в результате как испарения нагретой воды, так и разбрызгивания, при котором они электризуются. Так как коэффициент эффективности слияния не может превышать единицу, то это не позволило обнаружить влияние зарядов, обра­ зующихся при разбрызгивании воды.

Согласно М. А. Химач и Н. С. Шишкину [193], коэффициент эффективности слияния капель радиусом от 25—30 до 400— 500 мкм с капельками радиусом от 5 до 15 мкм близок к единице. Они получили значение Х = 0,97±0,24 для тумана, создаваемого испарением в камере объемом около ПО м3, т. е. в условиях на­ сыщения.

П. С. Прохоров и Л. Ф. Леонов [158] исследовали влияние влажности на слияние капель радиусом в основном от 2 до 22 мкм. Капли создавались конденсацией водяного пара. Они пришли к выводу, что 100%-ная эффективность слияния капель возможна только в условиях насыщения или перенасыщения, тогда как при недонасыщении она становится меньше.

Кинцер и Кобб [361] получили согласие между вычислениями по Лэнгмюру и экспериментальными данными о соударении ка­ пель радиусом от 150 до 500 мкм с капельками, спектр которых характеризовался максимумом повторяемости капелек радиусом

39