Структуры в жидкости эволюция

Вопрос о том, существуют ли обш,ие принципы, управляющие возникновением самоорганизующихся структур и (или) функций,— основной вопрос синергетики. Когда я более десяти лет назад дал на него утвердительный ответ для широкого класса систем и предложил рассматривать проблемы самоорганизации в рамках междисциплинарного направления, названного мной синергетикой , многим ученым это могло показаться абсурдным. Почему системы, состоящие из столь различных по своей природе компонентов, как электроны, атомы, молекулы, фотоны, клетки, животные или даже люди, должны, когда они самоорганизуются, подчиняться одним и тем же принципам, образуя электрические колебания, структуры в жидкостях, химические волны, лазерные пучки, органы людей и животных, популяции животных или социальные группы Но прошедшее десятилетие принесло множество подтверждений тому, что самые разнообразные явления самоорганизации подчиняются одним и тем же принципам, и многочисленные разрозненные примеры, давно известные из литературы, подпадают под объединяющие понятия синергетики. Диапазон таких примеров необычайно широк от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, от молекулярной физики до космических масштабов эволюции звезд, от электронных приборов до формирования общественного мнения, от мышечного сокращения до выпучивания конструкций. Кроме того, несмотря на существование множества различных дисциплин, обнаружилось поразительное сходство основных понятий, относящихся к образованию пространственных, временных и функциональных структур. [c.16]

В современном контексте формулировка, схематически представленная на рис. 3.7, играет основополагающую роль в понимании термодинамических аспектов самоорганизации и эволюции, которые мы наблюдаем в Природе. Если система изолирована, то de5 = 0. В этом случае энтропия системы продолжает возрастать вследствие необратимых процессов и достигает максимально возможного значения в состоянии термодинамического равновесия, В состоянии равновесия все необратимые процессы прекращаются. Когда система начинает обмениваться энтропией с внешней средой, она в общем случае выходит из состояния равновесия, и энтропия, порождающая необратимые процессы, начинает действовать. Обмен энтропией с внешней средой обусловлен обменом теплотой и веществом. Энтропия, вытекающая из системы, всегда больше, чем энтропия, поступающая в систему разность возникает из-за энтропии, производимой необратимыми процессами внутри системы. Как показано в последующих главах, системь , обменивающиеся энтропией с внешней средой, не просто увеличивают энтропию внешней среды, но могут претерпевать весьма сильные спонтанные преобразования, переходя в режим самоорганизации . Такие организованные состояния создаются производящими энтропию необратимыми процессами. Самоорганизующиеся состояния охватывают широкий круг явлений от конвективных структур в жидкостях до биологических явлений. Необратимые процессы служат той движущей силой, которая создает порядок. [c.108]

Расчеты показали, что в пузырьковых смесях с малой вязкостью жидкости ( 1-1 С 1), например в воздухо-водяных смесях с размером пузырьков порядка 1 мм (ро 0,1 МПа), структура достаточно слабых волн ре/ро < Тг) эволюционирует от осцилляционной к монотонной. Структура более сильных (ре/ро> 2) волн стремится в процессе эволюции к предельной осцилляционной конфигурации. Характерным является рост числа осцилляций в процессе эволюции волн. Эволюция волн в указанных смесях обусловлена эффектами межфазного теплообмена и передачи кинетической энергии радиального движения в соседние объемы смеси за счет возмущения давления (но не эффектами вязкости при относительном движении фаз). В качестве примера на рис. 6.7.1 приведены профили давления в различные моменты [c.87]

Гидродинамические модели, удовлетворяющие уравнениям (3.1), (3.2), составляют весьма обширный класс и могут включать в себя дополнительно ряд новых физических полей и уравнений, характеризующих внутренние свойства среды. Если пользоваться качественной аналогией, которая прослеживается между сплошной средой и системой дискретных частиц, и считать, что уравнение Эйлера играет роль уравнения Ньютона, а все остальные уравнения, описывающие эволюцию среды, рассматривать как связи или ограничения на класс течений, то с точки зрения классической механики сила Г не может быть произвольно заданной характеристикой, а должна отражать реакции на эти связи. Характер связей неизбежно проявляется при введении гамильтоновой структуры в гидродинамические модели и в случае несжимаемой жидкости приводит к нелокальным скобкам Пуассона. [c.186]

Изложенные выше теоретические исследования исходили из предположения о наличии в жидкости сформировавшихся локализованных или распределенных вихревых образований. Дальнейшая их эволюция описывалась уравнениями Гельмгольца, что позволило получить хорошее количественное согласование с имеющимися экспериментальными данными. Однако при этом совершенно не затрагивался вопрос об образовании вихревых структур — вопрос, представляющийся и сегодня одним из самых сложных в вихревой динамике. Сложность здесь заключается, в первую очередь, в построении адекватной модели, позволяющей объяснить возникновение вихрей в первоначально покоящейся жидкости и в ее согласовании с требованиями теоремы Лагранжа для идеальной жидкости. [c.222]

В первой фазе переходного процесса (она продолжается до Г - 45) проявляются элементы асимметрии течения в результате потери устойчивости и перестройки вихревой структуры в ближнем следе за цилиндром. Особенно четко потеря симметрии течения в следе отражается на эволюции картин изолиний поперечной составляющей скорости. Трансформация в следе происходит постепенно, о чем свидетельствует монотонный характер зависимостей и Ртт )- В то время как и (г) следует линейному закону, Рп,,п(0 изменяется весьма незначительно. Такое поведение локальных характеристик потока обуславливается тем обстоятельством, что на рассматриваемом временном отрезке все изменения происходят только на небольшом расстоянии за цилиндром. Интересно то, что в конце периода вихревая структура в дальнем следе топологически уже аналогична структурам автоколебательного режима. К этому моменту также значительно сокращается длина отрывной зоны в ближнем следе за цилиндром. Следует подчеркнуть, что движение жидкости перед цилиндром все еще симметричное. Как следствие, коэффициент подъемной силы цилиндра очень мал, т.е. распределения давления и трения по поверхности цилиндра мало отличаются от симметричных. [c.50]

Хорошо известные классические работы по устойчивости поверхности раздела двух жидкостей разной плотности в поле силы тяжести (неустойчивость Рэлея-Тэйлора при расположении тяжелой жидкости над легкой), рассматривавшие задачу в линейном приближении, пополнились позднее работами, посвященными эволюции возмущений на нелинейной стадии. Так, показано ), что при задании на поверхности жидкости первоначально синусоидальных возмущений малой амплитуды обращенные вниз выпуклости поверхности превращаются в растущие со все большей скоростью пальцы , вверх же всплывают пузыри , достигая постепенно постоянной скорости подъема. Развитие подобного вида структур исследовано также в случаях, когда поверхность возмущена в двух направлениях и образующиеся периодические структуры являются трехмерными. [c.205]

Для пузырьковых жидкостей актуальной является теория нестационарных (в отличие от 3—5) волн, для понимания законов их эволюции по мере распространения. Нестационарность этих волн может быть связана как с нестационарностью граничных условий в месте их инициирования и возникновением волн разрежения, так и со сравнительно большими расстояниями, на которых волны даже при стационарных граничных условиях меняют свою структуру, стремясь к стационарной структуре, исследованной в 3—5. [c.60]

Процесс перемешивания (размешивания) жидкостей представляет собой сложное физическое явление. Для того чтобы проанализировать и определить режим перемешивания необходимо пользоваться различными критериями. Визуальный анализ поля скорости не всегда помогает определить режим эволюции пассивных жидких частиц. Па рис. 13 показано поле скорости, генерируемое парой точечных вихрей в момент времени, соответствующий начальному положению вихрей. Отметим, что поле скорости в другие моменты времени имеет аналогичную структуру. Видно, что поле скорости является достаточно регулярным во всей области течения. Пе имеется никаких предпосылок для утверждения того, что генерируемое поле скорости для пассивных жидких частиц в центральной части полости является хаотическим и эта зона является областью интенсивного перемешивания жидкости. [c.464]

Вихревой след за летательным аппаратом с крылом большого удлинения живет достаточно длительное время - порядка нескольких минут. След становится видимым (см. фотографии в [1, 5]), если частицы жидкости, образующиеся благодаря эффекту конденсации, затягиваются в концевые вихри или если он специально визуализируется дымом. В дальней области за летательным аппаратом формируются две мощные противоположно закрученные вихревые структуры, которые сначала выглядят прямолинейными. Затем синусоидальные возмущения нарушают прямолинейность вихревого следа. Амплитуда возмущений растет. В следующей фазе вихри сталкиваются, образуя вихревые кольца. Разрушение вихревых колец завершает наблюдаемые фазы эволюции следа. Земной наблюдатель может либо сразу просмотреть все фазы развития, сканируя взглядом многокилометровую видимую часть следа, либо, сосредоточив свой взгляд на ограниченном участке следа, наблюдать за его эволюцией. [c.122]

Обширные данные вычислений на мощных компьютерах позволили установить некоторые общие закономерности двухмерных вихревых структур в безграничной жидкости освсимметриэация начально некругового распределений завихренности для одной области слияние областей с одинаковым знаком распределенной завихренности переплетение обдлсгеА с противоположиым знаками распределенной завихренности вытягивание в процессе эволюции вихревых областей длинных нитей, содержащих завихренность. [c.62]

Особенностью эволюции природных систем является наличие взаимосвязанных превращений структур разных иерархий, протекающих в различных временных шкалах. Поэтому введены представления о иерархической термодинамической системе как системе, состоящей из иерархических подсистем (взаимосвязанных в порядке структурного или какого-либо другого подчинения и перехода от низшего уровня к высшему), выделенных либо в пространстве, либо по времени установления в этих подсистемах равновесия при релаксации. Простейший пример иерархической пространственно выделенной термодинамической системы - двухфазная система пар - жидкость. Здесь каждая фаза системы - ее подсистема. Простейший пример системы, в которой подсистемы выделяются по временам релаксации, - плазма, включающая подсистемы электронов и ионов. Равновесие в каждой подсистеме последней системы устанавливается сравнигельно быстро, тогда как в системе в целом медленно, поскольку обмен энергией между подсистемами затруднен. В подобных ситуациях говорят о частично равновесных состояниях (равновесие в одной структурной гюдсистеме) и вводят различные температуры подсистем. Указанные примеры тривиальны, и термин иерархия в таких простых случаях не упо фебляется. Однако в более сложных иерархических термодинамических системах, например, биологических, содержащих много подсистем различных типов, удобно говорить о структурной и релаксационной иерархии. Так, [c.23]

Построение теоргтических моделей, адекватных физической реальности, и создание инженерных методов расчета оборудования с учетом особенностей двухфазных течений невозможно без изучения волновой динамики газо- и парожидкостных сред. Особенности проявления волновых свойств зависят как от состояния и структуры самой среды, так и от амплитуды и частоты вносимых в нее возмущений. При этом предметом изучения становятся релаксационные и диссипативные процессы, происходящие в двухфазных средах при распространении в них волны возмущения. Времена протекания этих процессов, их взаимное влияние определяют эволюцию генерируемых волн в нестационарных условиях, скорость их распространения и интенсивность. Как показали многочисленные эксперименты, в газодинамике двухфазных потоков паро-(газо-) капельной структуры определяющим является обмен количеством движения между молекулами несущей газовой среды и каплями жидкости. При рассмотрении быстропротекающих процессов в смесях жидкости с пузырьками пара и газа определяющими являются инерционные свойства жидкости при внутренних радиальных ее движениях, возникающих в результате взаимодействия молекул газа в пузырьках с прилегающими к ним объемами жидкости При добавлении пузырьков газа мало меняется средняя плотность среды при достаточно малых концентрациях пузырьков, но характер изменения давления меняется существенно. [c.32]

И. Пригожий показал универсальность эффекта самоорганизации упорядоченных структур (проявляющегося при достижеции критического уровня управляющего параметра), в несхожих физических объектах (жидкости и твердые тела квантовые и классические системы), а также в условиях сверхнизких и высоких температур или скоростей внещнего воздействия [4]. Универсальность заключается в том, что эволюция сложных неравновесных систем может быть описана с помощью бифуркационной диаграммы (рис. 1.2.), связывающей управляющий па раметр Х с переменной X, имеющей различный смысл в зависимости от типа системы и рассматриваемого процесса. [c.23]

Указанные соображения и определили структуру книги. В ней обсуждаются акустические модели различных сред (жидкостей, газов, газожидкостных смесей, однородных и структурно-неоднородных твердых сред) и уравнения волн конечной амплитуды в таких средах. Качественный характер волнового процесса определяется сочетанием и конкуренцией нескольких факторов, таких, как нелинейность, диссипация, дисперсия, а в неодномерных случаях — также рефракция и дифракция, и в книге последовательно рассматривается влияние зтих факторов на эволюцию и взаимодействие акустических волн. В сущности, зто - книга о поведении слабонелинейных волн в сплошных средах. Исходя из такой общеволновой трактовки мы и выбирали материал книги, который все же не исчерпывает всего содержания нелинейной акустики. В частности, мы почти везде ограничиваемся рассмотрением продольных упругих волн (т.е. собственно акустикой) и не рассматриваем злектро- и магнитоакустических процессов. При зтом мы стараемся избегать сложных математических схем, используя по возможности упрощенные модели и феноменологические подходы. Заметим, что, хотя основу книги составляют вопросы теории, мы везде, где зто возможно, приводим количественные оценки и данные зкспериментов, пытаясь дать читателю представление о параметрах и возможностях реализации рассматриваемых процессов. [c.4]

В п. 2.8—2.9 обсуждались пути возникновения хаоса при эволюции динамических систем, описываемых функциями от времени (непрерывного или дискретного — первый случай сводится ко второму, если вместо всего фазового потока рассматривать создаваемое им отображение последования Пуанкаре некоторого трансверсального подмножества фазового пространства). В течениях жидкостей и газов такими функциями от времени являются значения их термогидродинамических характеристик в той или иной фиксированной точке пространства. Однако течения обладают также и пространственной структурой, которая у ламинарных течений упорядочена, а у турбулентных — хаотична, и возникновение хаотической эволюции во времени еще не означает возникновения пространственного хаоса, т. е. перехода к турбулентности. Так, например, стохастизация течения Лоренца, описываемого динамической системой (2.114), не меняет его упорядоченной пространственной структуры — конвективных роликов (2.113). [c.155]

Если число Рейнольдса и волновое число достаточно далеки от нейтральной кривой, необходимы иные принципы построения нелинейной теории. В независимых работах [43, 44] таким принципом служит нелинейность критического слоя. Результаты [43, 44], получившие развитие в [186, 187], относятся к нестационарным колебаниям, фазовая скорость которых порядка скорости основного течения. Эволюция полученных в [43, 44] структур при уменьшении фазовой скорости периодических возмущений исследована в [188]. Математическая модель критического слоя волны Россби и ее связь с теорией [43, 44] обсуждаются в [189, 190]. Нелинейная эволюция волны Толлмина-Шлихтинга с параметрами из окрестности нижней ветви нейтральной кривой изучается в [191] с учетом непараллельности потока жидкости в пограничном слое. Полученные оценки для "быстрой" и "медленной" переменных метода двухмасштабных разложений по продольной координате приводят к амплитудному уравнению. [c.13]

Предложенный в работе Г.Гельмгольца [135] и нашедший отражение в 135,46,97 ] такой подход дал возможность рассмотреть большое число задач с определенным распределением завихренности. Получен ряд точных аналитических решений для конкретного вида областей. Вместе с тем вопрос об адекватности описания вихревыми движениями такого типа реальных явлений в природе оставался до недавнего времени открытым. Однако экспериментальные работы (4,76, ИЗ, 134 ], выполненные для жидкостей в различных условиях (тонкие мыльные пленки, двухслойная несмешнвающаяся жидкость во вращающемся бассейне), убедительно продемонстрировали наличие именно двухмерных вихревых структур ( диполей, триполеЙ ) с распределенной завихренностью. При этом новый толчок подучили проблемы двухмерной турбулентностн [1оЗ, 226] и связанные с ней вопросы образования крупномасштабных вихревых структур. Созданный эффективный метод контурной динамики [184] позволил существенно продвинуться в понимании процессов эволюции и взаимодействия, слияния и распада изолированных распределенных областей в идеальной жидкости. Некоторые из этих вопросов освещаются в данной главе. [c.45]

Реактор с жидким бланкетом (HYLIFE-II). В проекте HYLIFE-II [3] бланкетом служит динамическая струйная структура, образующая объем жидкости с внутренней полостью. Стенки жидкого объема имеют толщину, достаточную для поглощения нейтронов. Эта схема привлекательна тем, что в полости предположительно отсутствуют микрокапли, препятствующие транспорту пучка к центру полости, где происходит микровзрыв мишени. Динамика образования полости иллюстрируется схемой соединения и разъединения двух струй, истекающих из поворачивающихся сопел, (рис. 4.1) (см. эволюцию заштрихованных участков струй). Положительным моментом этой схемы [c.78]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...