Ураган из улитки

Тысячелетний ветряк

Возраст традиционных лопастных ветряных мельниц, обнаруженных археологами на территории современного Ирана, составляет более тысячи лет. Но те ветряки, с помощью которых в самом конце XIX века в Дании получили электричество, технически мало отличались от своих персидских предшественников. При снижении скорости ветра такие установки просто не работают (те, кто ездит по Ленинградке, могли видеть установленные за Химками американские классические ветряные электрогенераторы: они либо неподвижны, либо работают вхолостую — наших ветров им недостаточно!). Ветрогенераторы стараются располагать именно там, где дуют более или менее постоянные и сильные ветры — на морском побережье, равнинах и в горных ущельях. В Германии, например, прибрежные станции уже сегодня дают около 4% потребляемого в стране электричества.

В прошлом столетии для достижения более стабильной работы генераторов ветер стали «загонять» в высокие трубы. За счет перепада давления восходящий поток воздуха в них значительно усиливается, а значит, увеличивается и снимаемая мощность для производства электроэнергии. Поток воздуха в вертикально стоящей трубе более стабилен, что облегчает эксплуатацию установки. В Испании в подобные трубы стали направлять горячий воздух, образующийся в теплицах. Но слабенькие экспериментальные испанские станции могли обеспечить лишь энергопотребление тех же теплиц. По испанскому примеру в австралийской пустыне спроектирована самая мощная электростанция в мире (200 МВт!), работающая на восходящих потоках. Высота трубы этой станции, вырабатывающей электроэнергию за счет солнечного тепла, составит около километра. Австралийцев не смущает даже стоимость ввода мощностей, а она такова, что даже с учетом бесплатного источника энергии — теплого воздушного потока, нагреваемого солнцем, — станция окупится через несколько десятков лет.

В России на производство тепла и электричества ежегодно используется около 1 млрд тонн условного топлива. Специалисты Института электрификации сельского хозяйства — одного из профильных научных учреждений, наиболее серьезно занимающихся нетрадиционной энергетикой, — считают, что потенциал ветроэнергетики вдвое превышает сегодняшние потребности страны в электроэнергии. Проблема заключается в том, что в равнинной России скорость этих самых ветров в среднем не превышает трех-четырех метров в секунду. А для эффективной работы даже самых совершенных лопастных ветряков, вырабатывающих электричество, необходима скорость ветра более восьми метров в секунду. Ведь принцип работы за тысячу лет не изменился: прямоточный или восходящий воздушный поток приводит в движение лопасти ветряка, с вала которого снимается полезная мощность (в нашем случае — для работы электрогенератора!). Недавно нашим ученым удалось придумать, как заставить работать даже самый слабый ветерок, превращая его в вихрь.

История вихревой физики

Общеизвестны заслуги русских ученых, в первую очередь Николая Жуковского и Константина Циолковского, в области классической аэродинамики. К началу XIX века в России сложилась и самая мощная школа вихревой аэродинамики, хотя научные приоритеты в этой области принадлежат не нам. В 1845 году английский ученый Джордж Стокс разработал математическую теорию движения вязких жидкостей и газов (по так называемому уравнению Навье-Стокса метеорологи и сейчас рассчитывают движения гигантских воздушных вихрей — циклонов и антициклонов!). Примерно тогда же немецкий физик и врач Герман Гельмгольц попытался сформулировать законы вихревых потоков, рассчитывая движение круговых потоков в идеальной жидкости.

Почти через девяносто лет после этого французскому инженеру-металлургу Жозефу Ранку пришло в голову исследовать свойства вихря, созданного искусственно. В 1931 году он запатентовал совсем простое внешне устройство под названием «вихревая трубка» Через спиралеобразную«улитку» в нее подавался сжатый воздух, который затем выводился через два отверстия. Закрученный в трубке маленький циклон имел настолько необычные физические характеристики, что несмотря на лабораторные подтверждения результатов исследований Ранка коллеги из Французского физического общества ему просто не поверили. Дело в том, что в вихревом потоке происходит мощный переток тепла от центра к периферии. Это значит, что в центре вихря образуется область низкого давления, а по его краям — высокого. Изобретатель смог разделить холодный и горячий потоки и вывести их через выводы трубки. Но объяснить, почему так происходит, он не смог.

Внешне простой вихревой эффект на самом деле обусловлен настолько сложными гидродинамическими процессами, происходящими в турбулентном потоке сжимаемого газа, что классической теории вихревых потоков не создано до сих пор.

После второй мировой войны опыты Ранка продолжил немецкий физик Роберт Хилш. Он значительно улучшил эффективность «трубки Ранка» увеличив разность температур на ее концах.