Кооперативное поведение в диссипативных системах

Главный вывод, который можно сделать после всего вышесказанного – неравновесность может быть причиной порядка. Осознание того факта является величайшей заслугой неравновесной термодинамики, потому что впервые удалось установить связь между столь противоположными свойствами. Новый тип динамических состояний материи – диссипативные самоорганизующиеся системы – может возникать благодаря необратимым процессам в открытых системах. Причем «запускают» механизм неустойчивости флуктуации, являющиеся источником структурной эволюции. Приводит это состояние неустойчивости к формированию новой пространственно-временной структуры.

Выявление общих закономерностей процесса самоорганизации в рамках неравновесной термодинамики показало следующее. Во-первых, оно подчеркнуло одну из наиболее привлекательных сторон термодинамики – ее универсальность, заключающуюся в возможности сведения огромного множества явлений к нескольким основным закономерностям. Во-вторых, позволило предположить, что именно эта универсальность может быть применима для изучения механизмов самоорганизации в различных системах, например – экономических системах современного общества. Для подтверждения данного предположения необходимо изучить эволюцию теории самоорганизации.

[1] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). – М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[2] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). – М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[3] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). – М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[4] Осипов А.И. Самоогранизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). Серия «Физика». М.: «Знание», № 7, 1986 г.

[5] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). –М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[6] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). –М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[7] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). –М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[8] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). –М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[9] Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). –М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[10] Подробное описание одного из самых известных примеров временной и пространственной упорядоченности в химических реакциях – химических часов (реакции Белоусова – Жаботинского) смотри: Осипов А.И. Самоорганизация и хаос (очерк неравновесной термодинамики). – М.: «Знание», 1986. Серия «Физика», № 7.

[11] Пригожин И. От существующего к возникающему. М., «Наука», 1985.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ

Цель работы: установление опытным путем наличия двух режимов движения жидкости.

Общие сведения. Ламинарное и турбулентное движение
вязкой жидкости

Вязкостью жидкости называется свойство реальных жидкостей сопротивляться напряжениям сдвига, т.е. напряжениям, касательным к поверхности, ограничивающей выделенный объем жидкости.
Вязкость жидкости определяется также и в изменении нормальных напряжений и отражается на внешних формах движения жидкости.
Наблюдения показывают, что для вязкой жидкости возможны две существенно разные, качественно отличные друг от друга формы движения, причем каждая из них соответствует своей области чисел Рейнольдса. Основные законы, которые управляют переходом течения из одной формы в другую, впервые были экспериментально установлены Осборном Рейнольдсом в 1883 году. Опыты Рейнольдса заключались в следующем. По стеклянной трубе, присоединенной к водопроводу, протекала под напором вода. Для того чтобы движение воды было видимым, в трубу вводились с помощью тонких насадков подкрашенные струйки жидкости примерно такого же, как вода, объемного веса. Так как окрашенные частицы поступали в трубу с той же скоростью, что и вода, то по их траектории можно было составить себе представление о движении частиц воды. Специальный кран на конце трубы позволял регулировать скорость движения. С помощью такой установки можно было наблюдать, что при малых скоростях течения окрашенные струйки текут приблизительно параллельно стенкам трубы и на всем ее протяжении они не смешиваются между собой, двигаясь как бы по отдельным трубочкам. Такое движение называется ламинарным или сложным.

Эта форма движения жидкости в трубе не единственно возможная. Если скорость течения превосходит некоторую определенную для данного опыта скорость (она называется критической скоростью), то можно наблюдать другую форму течения. Окрашенные струйки текут, не смешиваясь друг с другом лишь на небольшом расстоянии от выхода из насадков, затем они размываются, начинают пульсировать, перемешиваются и различить их становится невозможным.
При больших скоростях течения перемешивание настолько интенсивно, что окрашенные частицы попадают во все места трубы, и вся масса жидкости почти равномерно окрашивается. Такое движение В. Томсон предложил называть турбулентным. Рейнольдс называл это движение извилистым.
Основное отличие турбулентного движения от ламинарного заключается в том, что в турбулентном движении, кроме компонентов скорости, параллельных оси трубы, имеются компоненты скорости, перпендикулярные к оси. Вследствие этого и происходит поперечное перемешивание частиц жидкости в трубе. Другое отличие турбулентного движения от ламинарного состоит в том, что ламинарное движение может быть установившимся и неустановившимся. Турбулентное же движение по самой своей сути есть движение неустановившееся, даже в том случае, если оно происходит под действием постоянной во времени разности напоров. Частицы жидкости при турбулентном движении ведут себя примерно так, как молекулы по представлениям кинетической теории газов, где они находятся в состоянии постоянного беспорядочного движения.
О. Рейнольдс установил, что режим движения жидкости по трубе определяется величиной безразмерного выражения
, (3.1)

где d - диаметр трубы; W_ср - средняя скорость в сечении; n - коэффициент кинематической вязкости. Если эта величина меньше некоторого определенного значения, то каковы бы ни были возмущения в потоке при входе в трубу или до входа, они всегда затем затухают, и движение будет ламинарное. Если же эта величина больше некоторого определенного значения, то возмущения, которые возникают в потоке, разрастаются в развитую турбулентность. Выражение W_cрd/ν было названо впоследствии числом Рейнольдса. Это число можно рассматривать как критерий устойчивости той или иной формы движения жидкости.
Как ламинарное, так и турбулентное движения возможны, вообще говоря, при всех числах Рейнольдса. Однако фактически имеет место лишь тот режим движения, который при данных условиях оказывается устойчивым. При малых числах Рейнольдса устойчив ламинарный режим давления, при больших числах Рейнольдса этот режим неустойчив и при всяком, даже малом возмущении внезапно, скачком, переходит в турбулентный режим. Между малыми и большими значениями числа Рейнольдса имеется промежуточная, так называемая переходная область, в которой оба режима движения неустойчивы. Здесь можно наблюдать как ламинарное течение, так и его внезапный переход в турбулентное. Значение числа Рейнольдса, отделяющее область ламинарного течения от переходной области, называется критическим числом Рейнольдса и обозначается Reкр. Иногда его называют первым критическим числом Рейнольдса в отличие от второго критического числа Рейнольдса, отделяющего переходную область от области развитой турбулентности.
Опыты самого Рейнольдса и других исследователей показали, что значение критического числа Рейнольдса весьма существенно зависит от условий на входе в трубу. Однако как бы велики ни были возмущения при входе жидкости в трубу, они, как показывает опыт, затухают при Re<2300. Таким образом, значение Re_кр =2300 можно считать нижним пределом критического числа Рейнольдса.
Верхний предел до настоящего времени не найден и вряд ли вообще существует. Тщательно, с большой осторожностью выполненные опыты затягивают переход ламинарного течения в турбулентное до весьма больших чисел Рейнольдса, порядка Re=50000. Однако достаточно при этом самого незначительного возмущения, чтобы ламинарное движение мгновенно, скачком, перешло в турбулентное.
Исследование движения жидкости в расширяющихся или сужающихся трубах показывает, что критическое значение числа Рейнольдса зависит не только от начальных возмущений и условий на входе потока в трубу, но также от продольного ускорения частиц. В сужающейся трубе давление вдоль потока убывает и, следовательно, частицы движутся ускоренно. При этом их тенденция к поперечному перемещению уменьшается и критическое значение числа Рейнольдса увеличивается.
Наоборот, в расширяющейся трубе частицы движутся замедленно, против нарастающего давления. При этом тенденция к поперечному перемещению усиливается и критическое значение числа Рейнольдса уменьшается. Изменяя продольные ускорения частиц, можно в весьма широких пределах управлять переходом ламинарного движения в турбулентное.
На практике чаще всего приходится иметь дело с турбулентным движением. Оно имеет место не только при течении жидкости по трубам при больших числах Рейнольдса, но и при обтекании жидкостью тел. Атмосферные течения также турбулентны.
В большинстве технически важных случаев турбулентность играет отрицательную роль. Турбулентное движение, как уже указывалось, есть движение беспорядочное, сопровождающееся перемешиванием отдельных масс жидкости. Результат этого перемешивания такой же, как если бы вязкость жидкости возросла в тысячи, а иногда в десятки тысяч раз. Поэтому сопротивление при течении по трубам, сопротивление самолетов, ракет, морских судов при турбулентном потоке во много раз больше, чем оно было бы при ламинарном.
В некоторых случаях влияние турбулентности потока обратно. Искусственно турбулизируя поток, к примеру, можно более чем в два раза уменьшить сопротивление шара. Положительную роль играет турбулентность также в вопросах теплоотдачи от нагретой поверхности в жидкую среду. Благодаря перемешиванию жидких масс, теплоотдача в турбулентном потоке значительно превосходит теплоотдачу в ламинарном. Эти и другие примеры показывают, какое огромное значение имеет в технических вопросах проблема турбулентности и насколько важно для инженера умение использовать свойства ламинарного и турбулентного движений и управлять переходом от одного из них к другому.

Поиск по сайту: