Стоячая волна в волноводе — возможные применения (на примере жидкостей)
Интерференция - физическое явление, в основе которого лежат волновые процессы. Наиболее известно явление интерференции применительно к свету, а так как любой энергии свойственна своя несущая частота, то свойства интерференции могут проявляться и для других видов материи. Например, для жидкостей. Бегущие волны на поверхности воды (механические) — явление известное, а если организовать встречные бегущие волны с одинаковыми параметрами (когерентные волны), то возможно образование стоячей волны на поверхности воды. Также стоячие волны (СВ) бывают за кормой корабля или ракеты. Если механические бегущие волны заключить в волновод (трубу), то в волноводе будут распространяться бегущие волны давления, и если организовать встречные когерентные волны давления, то возможно образование стоячих волн давления внутри волновода. А поскольку это также процесс волновой, то и здесь уместно использовать понятие интерференции, на этот раз для волн давления. То есть «стоячая волна в волноводе — это интерференция бегущих волн давления».
На сегодня нет научной теории этого явления, которая могла бы, в частности, определить факторы, влияющие на КПД процесса. Возможно, по причине отсутствия теории это явление не нашло в настоящее время применения на практике, но если учесть, что гравитация — тоже волны, то эта тема достаточно широка, интересна и способна предложить новую базу для развития технологий.
Далее речь идет о волнах давления. Для получения СВ необходимо внутри волновода в двух разнесенных точках осуществить колебательные движения для генерации встречных бегущих волн давления. При когерентности этих бегущих волн возможно образование неподвижной — СВ давления, в которой амплитуды давления будут распределены по длине волновода ФИКСИРОВАННО и по форме будут совпадать с формой бегущей волны, например синусоиды. При этом возникают узлы и пучности СВ, т. е. образуются неподвижные амплитуды давления, в том числе макс. и мин. давления, например 30 и 3 атм. Отбор этих давлений можно проводить через отверстия в стенках волновода и использовать для разработки различных технологий, в том числе для движителей надводных судов и подводных лодок (ПЛ) параллельно или вместо гребных винтов. При этом необходимо использовать минимальное давление больше атмосферного для исключения перехода жидкости в пар, что приведет к срыву генерации СВ.
Предположим, что ПЛ, у которой в средине корпуса имеется кольцеобразный волновод, и в нем создана стоячая волна с перепадами давления в 3 и 30 атм., находится на глубине в 200 метров, где давление равно 20 атм. Если к сечениям волновода с низким давлением подводить с помощью специального канала забортную воду от носа ПЛ, а от сечений с высоким давлением отводить воду за кормой ПЛ, то это приведет ПЛ в движение. Возможен реверс потоков. Наиболее высокий перепад давлений можно получить при высоком исходном давлении, например в глубине океана. К примеру, на глубине в 100 м, где давление 10 атм, можно использовать перепад давления в СВ до 20 атм. При глубине в 300 м — рабочий перепад до 60 атм. Также большие рабочие перепады можно получить путем каскадного соединения волноводов, в которых сгенерирована СВ.
Пока нет научной теории этого физического явления, тем не менее практическое использование, а также отработка технологии, возможны для наиболее простых применений — высокой очистке жидкостей или газов от примесей без использования фильтров. Поскольку примеси будут перемещаться из зоны высокого давления в зону с низким давлением, то разделение на чистую и грязную фракции произойдет неизбежно (пример — пузырек воздуха размером в 1 мм поднимается в воде при перепаде 1/10 000 атм. Если в волноводе на 1 м создать перепад в 10 атм, то воздействие на пузырек будет в 100 раз больше). Потребуется только организовать отвод чистой и грязной фракций. Более высокая очистка — при каскадном соединении волноводов.
Потребность в очистке воды и воздуха становится все более востребованной, например в Китае, Индии, Африке, т. е. рынок растущий (сайт «Роспатент-реестры», см. патент № 86585 «Устройство для очистки жидкости или газа от примесей»). Таким образом, если на первом этапе разработать и наладить производство конкурентоспособных очистительных устройств, то последующее финансирование развития технологий будет частично или полностью проводиться за счет прибыли от продаж водо- и газоочистительных устройств. Например, газоочистка для алюминиевых заводов стоит немалых денег при высоких эксплуатационных расходах. Альтернативный вариант на СВ, думаю, будет существенно дешевле.
Принципиально устройства несложные, но есть определенные требования и условия для корректной генерации СВ в волноводе с учетом физического смысла процесса, который состоит в следующем: при возникновении в волноводе СВ происходит преобразование кинетической энергии источников колебаний в потенциальную энергию фиксированного перепада давлений по длине волновода, а КПД этого преобразования напрямую зависит от степени когерентности бегущих волн давления (см. патент № 168309 «Источник когерентных бегущих волн давления для жидкостей или газов»), используемых для их интерференции в волноводе.
Продолжение статьи читайте в майском номере журнала "Наука и техника" за 2019 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
На нашем сайте вы можете приобрести уникальные монографии-фотоальбомы Анатолия Верстюка, посвященные эскадренным миноносцам. В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
