Особенности стиральных машин воздушно-пузырькового типа. Исследование подъёма пузыря воздуха в канале воды квадратного сечения Результаты экспериментов и их обсуждение

Стиральные машины нового поколения используют различные технологии, которых с каждым годом становится все больше.

Они наиболее распространены на территории Азии и среди американских домохозяек, в России же эта технология пришла сравнительно недавно и только набирает популярность и авторитет.

Принцип работы

Как понятно из самого названия технологии, быстрое избавление от пятен достигается за счет циркуляции пузырьков. Воздушные пузырьки, которые находятся в воде постоянно проходят через белье, воздействуя на загрязненные места совместно со стиральным порошком или жидким средством.

Такое воздействие сродни кипячению, только кипяток портит и значительно изнашивает ткань, ослабляя ее волокна.

Автоматических машин

Основной элемент машины – бак, куда полается вода и закладывается белье. Внутри него находится барабан из нержавеющей стали, который производит вращательные движения. Через наливное отверстие в машину подается вода. По пути она смывает порошок из специального лотка и поступает в бак.

В воздушно-пузырьковых машинах, после того как вода поступила в лоток с моющими средствами, она спускается в генератор пузырьков, располагающийся под барабаном. Там вода с моющим средством смешивается с воздухом и подается внутрь барабана через маленькие отверстия, в виде моющего раствора, пены и пузырьков воздуха.

Пузырьки проникают в ткань, удаляя загрязнения и справляясь даже с засохшими пятнами. Также во время стирки пузырьки лопаются, выделяя тепло, что создает эффект кипячения. Стирка проводится в теплой и холодной воде.

Активаторных машин

Главное отличие таких машин – вертикальная загрузка. На самом дне барабана располагается пульсатор, призванный создавать вихревые потоки воды. Он создает идеальные струи для стирки.

Отдельно от активатора находится сопло, которое подает пузырьки в барабан. Воздушные пузыри равномерно распределяются по всему барабану активатором.

Такие машины подключаются к холодной и горячей трубам водопровода, поэтому не имеют тэна. Встроенный генератор пузырьков воздуха активно вбрасывает порции пузырей на протяжении всего цикла стирки, что делает разрушение загрязнений более эффективным.

Преимущества и недостатки

Плюсами моделей стиральных машин с имеющимся режимом воздушно-пузырьковой стирки являются:

• Значительная экономия электричества.
• Экономия моющих средств за счет обильного образования пены.
• Высокая степень удаления пятен, эффект кипячения.
• Снижение времени стирки. При этом результат остается таким же, как у длинных программ стиральных машин, не оснащенных воздушно-пузырьковой системой.
• Стирка вещей становится деликатной, благодаря пузырьковой подушке. Она снижает трение белья о стенки барабана и друг об друга.
• Вещи после стирки имеют тот же размер, не садятся.
• В машинки активаторного типа можно докладывать и вынимать белье во время стирки. Также можно остановить стирку в любой момент.
• Машинку с активатором необязательно подсоединять к водопроводу, достаточно налить в бак воды.
• Низкий уровень шума.

Недостатки:

• Высокие требования к жесткости воды. Она должна быть максимально мягкой.
• В машинах активаторного типа может отсутствовать режим отжима белья или функция слив без отжима.
• Стоимость воздушно-пузырьковых машин выше, чем у обычных.
• Габариты машинок немного больше, чем у простых активаторных машин и машин барабанного типа.

Как выбрать?

На рынке представлено множество моделей воздушно-пузырьковых машин. Для того чтобы определиться с выбором необходимо решить для себя следующие вопросы:

1. Какого типа нужна машина. Машинки-автоматы более дорогостоящие, чем машины активаторного типа также они занимают больше места и требуют подключения к водопроводу.
2. Габариты машинки.
3. Нужен ли отжим. Если нужен, то какая должна быть его максимальная скорость.
4. Какой должен быть способ загрузки вещей (горизонтальный или вертикальный).
5. Необходимый класс энергосбережения в режиме стирки и в режиме отжима.
6. Имеет ли значение фирма-производитель.
7. Ценовая категория стиральной машины.

Отзывы покупателей

Галина, Москва

Последние 15–20 лет пользовалась обычной активаторной малюткой, но пару лет назад она сломалась, и отремонтировать ее уже не смогли. Дети привезли похожую на вид машинку, но сказали, что в ней стоит штука, которая запускает внутрь пузыри воздуха. От этого она должна стирать еще лучше. Стираю каждые выходные и не знаю, правда ли, эти пузыри на что-то влияют, но вещи всегда чистое, хорошо все отстирывается.

Марина, Дальний Восток

Пользуюсь воздушно-пузырьковой машинкой Daewoo уже 5 лет, купила ее взамен старой. Один раз она протекла, но в этом была моя вина – поставила ее на неровную поверхность, и во время отжима открутился сливной шланг. Очень нравится то, что можно закинуть вещь, когда стирка уже началась. Например, носок забыла закинуть или детскую распашонку. В машину можно залить отбеливатель, кондиционер и порошок. За все время пользования зарекомендовала себя отлично, рекомендую!

Тимофей, Калуга

Полгода пользуемся машинкой Самсунг, вроде все устраивает, кроме двух моментов. При отжиме машина готова взлететь, очень сильно ходит ходуном. Как не устанавливал ножки – ничего не меняется. Второе – время отсрочки стирки неправильное. Начинает работать раньше. Путем проб и ошибок выяснилось, что машинка почему-то ко времени отсрочки прибавляет и время стирки. К остальному нареканий нет – стирает на отлично, даже детские вещи отстирывает.

Инна, Москва

Купили машинку Eco Bubble год назад. Взяли навороченную, больше чем за 30 000 рублей. В итоге стираю LG, которая стоит на кухне и намного дешевле. Не нравится шум при отжиме. Иногда после полоскания без отжима остается пена на вещах.

Татьяна, Екатеринбург

Давно хотела Samsung Eco Bubble. Купили полгода назад. Не могу на нее нарадоваться! Отстирывает все пятнышки и очень экономит электричество, особенно если стирать после 12 ночи или по выходным. Не знаю, у кого что шумит при отжиме, у нас ничего не слышно. Если закрыть обе двери (в комнату и ванную) вообще тишина – ребенок спит спокойно. Также нет ни пены, ни разводов на вещах. Нравится барабан и большая загрузка.

Анна, Киев

Жуткая машина. Хотела постирать постельное белье, вытащила его с огромными сухими пятнами, не простиранное. Вызвали специалиста, сделали калибровку. Как итог получила второй раз то же самое. Остальные вещи не простирываются, на них остаются пятна. Даже элементарно тональный крем или еда на детских вещах. Несколько раз вещи откидывались на резинку барабана к стеклу и оставались грязными. По шумам и оставшемуся порошку претензий нет. Нравится дизайн, барабан, экономия на электричестве, но не отстиранные пятна портят все впечатление.

Удачные модели

1. Первой производство воздушно-пузырьковых стиральных машин начала компания Daewoo . Она до сих пор является лидером по продажам и качеству машин активаторного типа со встроенным генератором пузырьков. Наиболее востребованная модель - Daewoo DWF-806WPS . Об этой модели много положительных отзывов. Средняя цена на модель 10 000 рублей.
2. Более ранняя модель Daewoo DWF-760 MP . Стоимость от 7000 до 8000 рублей.
3. Популярность приобретают модели компании Samsung с технологией EcoBubble . Одна из таких моделей SamsungAEGIS 3. Цена на модель варьируется от 57000 до 59000 рублей.
4. Samsung WW 60H2210 EW . Барабанная стиральная машинка. Цена от 22000 до 31000 рублей.
5. Samsung WF 60 F1R1 W2W . Барабанная стиральная машина. Цена 17500–23000 рублей.
6. Samsung WF 6 MF1R2 W2W. Стиральная машина барабанного типа. Стоимость 23000 рублей.
7. Фея 2 М. Машинка активаторного типа. Стоимость 4200 рублей.

Неудачные модели

1. Модели фирмы EVGO и Magna , сняты с производства и больше не продаются.
2. Samsung WF 6 RF4E2 W0W . Машинка барабанного типа. Стоимость от 21 000 до 28 000 рублей.
3. Samsung WF 60 F4E0 W2W. Стиральная машина барабанного типа. Цена 25 000 рублей.
4. Samsung WW 80 H7410 EW . Стиральная машинка барабанного типа. Отзывы о данной модели неоднозначные. Много и положительных и отрицательных мнений. Стоимость от 50 000 до 67 000 рублей.

Стиральные машины с воздушно-пузырьковой технологией значительно упрощают стирку любых вещей. Воздушные пузырьки образуют мягкую пенно-пузырьковую подушку, которая не дает барабану и другой одежде механически воздействовать на деликатные ткани.

Коткин Г. Всплывающий воздушный пузырек и закон Архимеда // Квант. – 1976. – № 1. – С. 19-23. (1996. – № 3. – С. 50-51.)

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Представьте себе, что вы готовитесь к экзамену по физике, расположившись на лесной опушке на берегу озера. Повторяя второй закон Ньютона, бы хотите применить этот закон к движению всплывающих со дна пузырьков газа. И тут начинается что-то странное...

Сила тяжести, действующая на пузырек, раз в тысячу меньше веса вытесняемой им воды (плотности воздуха и воды отличаются примерно в тысячу раз). Сила сопротивления при жидком трении, пропорциональная скорости пузырька, поначалу мала, поэтому ее учитывать не стоит (О роли силы сопротивления будет сказано дальше.). Таким образом, ускорение определяется, в основном, архимедовой выталкивающей силой:

Здесь m – масса, а – ускорение пузырька, V – его объем, ρ – плотность воды. Пусть плотность газа ρ 0 . Тогда

Итак, ускорение пузырька порядка тысячи g . Это очень большая величина. Вспомним, что ускорение, которое приходится переносить космонавтам к летчикам, достигает нескольких g (скажем, до 10g). Если снаряд будет двигаться в стволе длиной 1 м с таким ускорением, то он сможет взлететь на высоту h = 1 км (проверьте это самостоятельно); если внутрь нашего всплывающего пузырька попадет букашка, она будет раздавлена в таком «лифте»; и т.д. и т.п. Поистине богатые возможности для изобретателей.

Впрочем, сидя на берегу озера, можно увидеть собственными глазами, что на самом деле ускорение пузырька вовсе не так велико.

Вместо того чтобы сразу дать ответ на возникшую загадку, зададим еще одну.

Пусть вы без труда можете поднять пудовую гирю (m = 16 кг) на высоту 1 м. А что если приложить силу, равную весу этой гири, к камешку массы 1 г (или к копеечной монете) на пути тоже в 1 м? Нетрудно сообразить, что камешек после этого взлетит на высоту 16 км. (Сопротивление воздуха не учитываем. Ясно, что дело не в нем.) Что это – еще один фантастический проект? Нет, на этот раз разоблачить автора проекта совсем легко: поднимать придется не только камешек, но и собственную руку! К каждому ее грамму нужно приложить силу порядка 160 Н. Вся рука будет весить несколько тонн, и поднять ее не хватит сил.

Таким образом, неподвижная или движущаяся с небольшим ускорением рука может приложить к грузу силу гораздо большую, чем рука, которая движется с большим ускорением.

Но ведь при движении воздушного пузырька в воде возникает аналогичная картина. Когда пузырек поднимается, некоторая масса воды устремляется вниз, заполняя освобожденное место. Пузырек взаимодействует с движущейся, а не с неподвижной водой. По-видимому, и сила, действующая со стороны воды на пузырек, зависит от ускорения самой воды. Закон Архимеда, записанный в обычном виде , неприменим к пузырьку, движущемуся ускоренно!

Оказывается, задача о пузырьке очень близка к задаче о движении грузиков, связанных переброшенной через неподвижный блок нитью (рис. 1). Нетрудно увидеть аналогию между ними. Действительно, один из грузиков (с массой m ) как бы играет роль пузырька, другой (с массой М ) – роль воды, а натяжение нити Т – роль выталкивающей силы.

Второй закон Ньютона в применении к грузику массы m можно записать так:

Если грузик массы m удерживать, то натяжение нити Т окажется численно равным весу грузина Mg (весу «вытесненной» воды). Подставив в уравнение (2), получаем:

(неверно!). (3)

При оказывается . Этот вывод своей нелепостью похож на вывод об огромном ускорении пузырька (см. (1)). Причина обеих ошибок одна и та же: необходимо учитывать движение грузика массы М и движение «вытесненной» воды. Напомним, что для правильного решения задачи о грузиках нужно записать еще уравнение второго закона Ньютона для грузика массы М

и решить систему уравнений (2) и (4). Отсюда

При оказывается , что вполне соответствует действительности.

Можно решить эту задачу и другим способом – воспользоваться законом сохранения энергии. При смещении грузика массы m вверх (и соответственно, грузика массы М вниз) на расстояние h потенциальная энергия системы уменьшится на величину . Кинетическая энергия станет равной , где υ – скорость грузиков (начальную скорость считаем равной нулю). Приравняв величины

или (см. (5))

Такая связь скорости и перемещения характерна для движения с постоянным ускорением а . (В данном случае )

Воспользуемся этим для решения задачи о движении тела в жидкости. Правда, привести полное решение задачи о воздушном пузырьке мы не сможем. Дело в том, что распределение скоростей жидкости вокруг пузырька слишком сложно (рис. 2).

Однако мы решим похожую задачу. Рассмотрим движение длинного стержня радиуса r , длины l и массы m вдоль оси заполненной жидкостью плотности с трубки радиуса (рис. 3).

В этом случае движение жидкости легко рассчитать. Вытесняемая верхней частью стержня жидкость смещается вниз и заполняет место, освобождаемое нижней частью стержня. Если исключить небольшие участки вблизи торцов стержня t то скорость жидкости всюду между стержнем и стенками трубки оказывается одной и той же. Обозначим через υ скорость стержня, а через υ 1 -скорость воды, движущейся между стержнем и стенками трубки, в тот момент, когда стержень поднялся на высоту h от того уровня, на котором его скорость была равна нулю. Приравняв объем жидкости, вытесненной стержнем за малый промежуток времени Δt , объему жидкости, прошедшей за это же время между стержнем и трубкой, находим

За то время, пока стержень поднимался на высоту h , масса жидкости, равная ( – объем стержня), опустится тоже на h , тогда уменьшение потенциальной энергии стержня и жидкости равно . Кинетическая энергия системы равна , где m 1 – масса движущейся жидкости. Кинетическую энергию жидкости удобно записать в таком виде:

Воспользовавшись законом сохранения энергии, получим

Такой зависимости скорости υ от перемещения h отвечает движение с ускорением (см. (6))

(7)

Таким образом, стержень движется так, будто бы его масса увеличилась на величину m ", а выталкивающая сила осталась равной гидростатической архимедовой силе . Величину m " называют присоединенной массой. Это чисто формальное, но удобное толкование равенства (7). Формула (7) получается из неправильной формулы (1) добавлением в знаменателе слагаемого m ". Отметим, что подобным же образом формула (5) получается из (3) добавлением в знаменателе слагаемого М .

Силу F выт, с которой движущаяся жидкость действует на стержень, теперь легко получить из второго закона Ньютона

В частности, если , то ; при выталкивающая сила оказывается порядка веса стержня (и не имеет отношения к весу вытесненной воды). Если же то то есть мы возвращаемся к закону Архимеда в обычном виде.

< style="text-transform: uppercase">Для шарика (в частности, для пузырька) расчет дает такой результат: кинетическая энергия жидкости равна где V – объем шарика, υ – его скорость. Тогда присоединенная масса для пузырька т.е. она равна половине массы вытесненной воды. Пузырек всплывает с ускорением

Выталкивающая сила определяется из уравнения (8), она приблизительно равна т.е. тройному весу неподвижного пузырька (и во много раз меньше веса вытесненной воды).

Теперь вспомним о силе сопротивления, Для пузырька газа в жидкости она определяется формулой где r – радиус пузырька, υ – его скорость, η – так называемый коэффициент вязкости среды (Приведенная формула справедлива при если , коэффициент 12πследует заменить на 4π. Дли твердого шарика при коэффициент равен 6π (формула Стокса).). С учетом силы сопротивления уравнение движения пузырька запишется так (см. (7)):

Очевидно, что F с уменьшает ускорение (а значит, и скорость) пузырька по сравнению с тем случаем, когда мы не учитываем сопротивление жидкости. Однако, если т.е. при силой сопротивления можно пренебречь. Например, если речь идет о пузырьке радиуса r = 3 мм (Пузырек большего радиуса не может сохранить шарообразную форму (подобно падающей дождевой капле, деформируемой силой давления воздуха; см., например, статью И.Ш. Слободецкого «О форме дождевой капли», «Квант», 1970, № 8).), движущемся в воде (ρ = 1 г/см 3 , η = 1,0 10 –2 г/(см с), то его скорость должна быть много меньше величины Прикинем, на каком пути h 0 , пузырек достигнет такой скорости. Для грубой опенки воспользуемся равенством где

Ю.Б.Базаров 1 , Д.Е Мешков 3 , Е.Е.Мешков 1,2 , В.С.Сиволгин 3
1 РФЯЦ – ВНИИЭФ 2 СарФТИ 3 Лицей №15 (г. Саров)

Введение

В последние годы в работе учебно-исследовательской гидродинамической лаборатории в СарФТИ принимают участие старшеклассники физико-математического лицея № 15 г. Сарова. В 2003 году на базе этого сотрудничества была начата работа с целью проверки гипотезы о влиянии масштабного фактора на характер развития зоны турбулентного перемешивания на границе газ-жидкость при развитии неустойчивости Рэлея-Тейлора .

Была разработана лабораторная методика получения и исследования воздушных пузырей заданного объёма вначале до 2.5 см3 и позднее до 1 литра и более . Данная методика является модификацией способа получения крупных приближенно сферических воздушных пузырей в воде , с помощью которой моделировался подъём облака сильного взрыва в атмосфере. Результаты таких экспериментов позволяют получить более детальную (по сравнению с ) информацию о начальной стадии подъёма воздушного пузыря, механизме трансформации его в вихревое кольцо и некоторых связанных с этим явлением эффектах.

Дальнейшее развитие техники экспериментов и, в частности, применение скоростной видеокамеры VS-FAST (сейчас камера выпускается под торговой маркой - прим. редактора) для регистрации возникающего течения позволило получить новые данные о некоторых эффектах, связанных с гидродинамическими неустойчивостями, сопровождающих начальную стадию подъема пузыря.

Установка представляет собой канал квадратного сечения со стенками из оконного стекла (рис.1).

рис 1. Общий вид установки

Основанием служит пластина из текстолита. В основании находится устройство для получения пузырей (рис.2).

рис 2. Устройство для получения пузырей

Основная его часть – корпус медицинского шприца. Корпус шприца закреплен в пластине. На верхней части шприца скотчем закреплен небольшой кусок резины. В нижнюю часть шприца вставляется пробка из оргстекла, в которую в свою очередь загоняется герметизирующая резинка, сделанная из ластика. Сбоку в корпус шприца ввинчивается штуцер, соединенный через шланг с автомобильным насосом. В резинку вставляется игла нужной длины. Подробнее техника эксперимента описана в статье

При проведении эксперимента надувался пузырь из резины нужного размера. Далее резиновая оболочка прорывалась иглой в полюсе; при этом остатки оболочки соскальзывают вдоль поверхности раздела вода-воздух, образуя пузырь воздуха.

Подъём пузыря и возникающее при этом течение регистрировались скоростной видеокамерой VS-FAST с частотой ~500 кадров в секунду.

Результаты экспериментов и их обсуждение

На рис.3 приведены кадры видеограммы подъема пузыря объемом 0.15 л, полученные при помощи скоростной камеры. В первый момент растянутая резиновая оболочка пузыря после прокола её иглой в полюсе стягивается за время ~1мс , «обнажая» пузырь воздуха

рис 3. Скоростная (500к/с) съемка процесса подъёма и образования вихревого кольца
из пузыря воздуха объёмом 0.15 л. Время на кадрах указано от момента пробоя
резиновой оболочки. В процессе подъёма донная струя (ДС) пробивает пузырь
воздуха, образуя вихревое кольцо.

видеозапись этой съемки 3.0 MБайт

При этом поверхность пузыря оказывается возмущённой – она становится похожей на бугорчатую поверхность апельсина. Это возмущение является следствием скольжения стягивающейся резины по границе раздела вода-воздух на поверхности пузыря. Через некоторое время (~60 мс) поверхность пузыря становится гладкой, а бугорки начального возмущения порождают слой мелких пузырьков воздуха, окружающих основной пузырь, представленных на рис.4.

рис 4. Формирование слоя мелких пузырьков, окружающих основной пузырь
в начальной стадии течения. (представлены фрагменты кадров рис.3.)

Происхождение этих пузырьков связанно, по-видимому, с неустойчивостью границы раздела воздух-вода на поверхности пузыря при её импульсном ускорении , вследствие небольшого расширения пузыря. Давление воздуха в пузыре под водой перед пробоем оболочки имеет две составляющие: a) давление водяного столба над пузырём и воздушной атмосферы и б)давление растянутой резиновой оболочки.

При разрыве оболочки остаётся только первая составляющая, и в результате пузырь немного расширяется. На рис.5 представлены результаты измерений поперечного размера пузыря (d) после схода оболочки в зависимости от времени.

рис 5. Зависимости поперечного размера от времени в начальной стадии подъёма

Из этого графика видно, что величина d практически скачкообразно увеличивается на ~ 3 мм. Соответственно, граница пузыря смещается скачком на ~1,5 мм в радиальном направлении. Следствием такого двойного импульсного ускорения (сначала вызванного резким расширением пузыря из состояния покоя и затем остановкой) является рост бугорчатых начальных возмущений вследствие развития неустойчивости и затем их отрыв от основного пузыря.

В процессе последующего подъёма основного пузыря слой этих мелких пузырей скатывается вниз под основной пузырь, и образует там облако, сравнительно медленно поднимающееся вслед за основным пузырём.

Кадры скоростной съёмки, представленные на рис.3, позволяют также детально рассмотреть процесс превращения пузыря в вихревое кольцо вследствие образования и развития донной струи (t~ 40 мс ÷ 120 мс) и прорыва его купола.(t~ 120 мс ÷ 160 мс). Прорыв сопровождается образованием облачка мелких пузырьков над основным пузырём. Пузырь трансформируется в вихревое кольцо.

В начальной стадии подъёма пузырь всплывает со скоростью подъема 0.37 м/c, а после образования вихревого кольца скорость уменьшается до 0.18 м/c.

Если наблюдать данный процесс в динамике (как кинофильм), то видно, что это кольцо вращается в направлении, заданном движением донной струи.

Динамика течения в этом опыте отображена на графике рис.6. Здесь приведена зависимость высоты подъёма верхней части пузыря H, нижней части пузыря h, верхушки донной струи Hs, и поперечного размера пузыря d от времени t. Расстояния отсчитываются от дна сосуда.

Рис 6. График зависимости высоты верхней границы пузыря H,
нижней границы h, донной струи Hs и поперечного размера пузыря d от времени t.

На графике видно, что скорость донной струи значительно превышает скорость верхней границы пузыря, вследствие чего донная струя догоняет верхнюю границу и пробивает ее (t ~ 120 мс).

Остановимся на причинах образования донной струи. В начальной стадии движения пузырь имеет практически сферическую форму. Как только он начинает смещаться вверх, одновременно возникает течение около пузыря (рис.7). Пузырь поднимается вверх, а вода обтекает его и устремляется под пузырь. Поток воды вокруг пузыря является симметричным относительно вертикальной оси пузыря. И как следствие под пузырём поток имеет конвергентный, сходящийся характер.

Рис 7. Схема течений вокруг пузыря

В результате этого сходящегося течения возникает кумулятивный эффект, выражающийся в местном повышении давления под пузырём. Именно это обстоятельство и определяет формирование, и последующее развитие донной струи, которая по существу является кумулятивной струёй.

Рис 8. Скоростная (490 к/с) съемка процесса подъёма пузыря воздуха объёмом 0.3 л.
При этом донная струя не доходит до верхней границы и пробивает пузырь сбоку,
отрывая от пузыря верхнюю часть в форме шляпки гриба

На рис. 8 представлен опыт, иллюстрирующий процесс подъёма и изменения формы пузыря объёмом 0.3 л. Видно, что в процессе подъёма донная струя расширяется и её верхняя граница неустойчива. Вследствие этого донная струя пробивает пузырь не симметрично по всему периметру; прорыв начинается сбоку и распространяется по горизонтали, отделяя верхнюю часть пузыря в виде шляпки гриба.

На рис.9 представлен график зависимости высоты верхней границы пузыря H, нижней границы h, донной струи Hs, нижней границы шляпки H1, верхней границы отделившейся шляпки h1 от времени t.

Рис 9. График зависимости высоты верхней границы пузыря и затем “шляпки” H,
нижней границы h, донной струи Hs, нижней границы «шляпки» H1,
верхней границы отделившейся шляпы h1 от времени t

Также интересно отметить необычный характер развития неустойчивости Рэлея-Тэйлора на верхней части пузыря, на начальной стадии его подъёма (рис.8). После схода резиновой оболочки на поверхности пузыря образуется мелкомасштабные возмущения (о которых мы уже писали выше). В верхней части пузыря реализуются условия для развития неустойчивости Рэлея-Тэйлора (вода над воздухом). В результате развития этой неустойчивости начальные возмущения начинают развиваться: с одной стороны, увеличивается их амплитуда, а с другой стороны, увеличивается и их масштаб (характерная длина волны возмущения). Вместе с этим наблюдается преимущественный рост возмущения, находящегося в области оси симметрии пузыря на верхней его границе. В результате, центральное возмущения в виде купола как бы вытесняет другие возмущения на периферию, и рост этих возмущений прекращается; при этом они как бы скатываются вниз, образуя гладкий купол.

Таким образом, при помощи скоростной видеосъёмки (500 кадров в секунду) были получены данные, детально иллюстрирующие процесс формирования вихревого кольца при подъёме в воде воздушного пузыря объёмом от 0.15 до 0.3 литра. Были получены данные об образовании и развитии «донной струи». В экспериментах наблюдались некоторые необычные эффекты, связанные с гидродинамическими неустойчивостями; в частности наблюдались процессы стабилизации неустойчивости Рэлея-Тэйлора в верхней части пузыря, связанные со сдвиговым течением и поверхностным натяжением.

Литература

1. Сиволгин В.С., Мешков Д.Е. Разработка методики проведения крупномасштабного подводного эксперимента на малой лабораторной модели. Вестник Саровского ФизТеха. №7, 2004, с.46-50.
2. Е.Е Мешков, Н.В. Невмержицкий, В.Г. Рогачёв, Ю.В. Янилкин. О возможной роли масштабного фактора в проблеме турбулентного перемешивания. Труды международной конференции V Харитоновские тематические научные чтения, Саров, 17-21 марта 2003 г, под редакцией А.Л.Михайлова, с.415-418
3. Д.Е. Мешков, Е.Е. Мешков, В.С. Сиволгин. Исследование влияния объема всплывающего пузыря на характер течения. Вестник Саровского ФизТеха, №8, 2005г., с.68-73.
4. Жидов И.Г., Мешков Е.Е., Попов В.В., Рогачёв В.Г., Толшмяков А.И. Образование вихревого кольца при всплывании большого пузыря в воде. ПМТФ, №3, с.75-78, 1977.
5. http://www.сайт
6. В.В.Мармышев, Д.Е. Мешков, Е.Е. Мешков, Е.Л. Огнев, В.С. Сиволгин, Я.С. Шаповалов. Прохождение воздушного пузыря через границу двух взаимно нерастворимых жидкостей. Вестник Саровского Физтеха (в печати).
7. Richtmyer R.D. Taylor instability in shock acceleration of compressible fluids. Commun.Pure Appl. .Math. V.13, 1960,297.
8. Мешков Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемой ударной волной. Изв.АН СССР, МЖГ. N 5, 1969, с. 151-158.