Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах
Приведен анализ аналогии аэродинамики и теплообмена при обтекании поверхности со сферическими углублениями тела живых существ и технических устройств.
Збережено в:
Дата: | 2007 |
---|---|
Автори: | , , |
Формат: | Стаття |
Мова: | Russian |
Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
Назва видання: | Промышленная теплотехника |
Теми: | |
Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61295 |
Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
Цитувати: | Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах / А.А. Долинский, Б.Х. Драганов, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 6. — С. 5-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraineid |
irk-123456789-61295 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
irk-123456789-612952014-05-01T03:00:56Z Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. Халатов, А.А. Тепло- и массообменные процессы Приведен анализ аналогии аэродинамики и теплообмена при обтекании поверхности со сферическими углублениями тела живых существ и технических устройств. Наведено аналіз аналогії аеродинаміки і теплообміну при обтіканні поверхні зі сферичними поглибленнями тіла живих істот та технічних пристроїв. The analysis is given considering analogy of aerodynamic and heat transfer processes in the life world and engineering. 2007 Article Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах / А.А. Долинский, Б.Х. Драганов, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 6. — С. 5-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61295 536.1:577.3(075.8-:532.516 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
collection |
DSpace DC |
language |
Russian |
topic |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы |
spellingShingle |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. Халатов, А.А. Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах Промышленная теплотехника |
description |
Приведен анализ аналогии аэродинамики и теплообмена при обтекании поверхности со сферическими углублениями тела живых существ и технических устройств. |
format |
Article |
author |
Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. Халатов, А.А. |
author_facet |
Долинский, А.А. Драганов, Б.Х. Халатов, А.А. |
author_sort |
Долинский, А.А. |
title |
Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах |
title_short |
Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах |
title_full |
Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах |
title_fullStr |
Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах |
title_full_unstemmed |
Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах |
title_sort |
аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах |
publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
publishDate |
2007 |
topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61295 |
citation_txt |
Аналогия аэродинамики и теплообмена в живом мире и технических устройствах / А.А. Долинский, Б.Х. Драганов, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 6. — С. 5-9. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
series |
Промышленная теплотехника |
work_keys_str_mv |
AT dolinskijaa analogiâaérodinamikiiteploobmenavživommireitehničeskihustrojstvah AT draganovbh analogiâaérodinamikiiteploobmenavživommireitehničeskihustrojstvah AT halatovaa analogiâaérodinamikiiteploobmenavživommireitehničeskihustrojstvah |
first_indexed |
2025-07-05T12:16:41Z |
last_indexed |
2025-07-05T12:16:41Z |
_version_ |
1836809245980360704 |
fulltext |
В последние два;три десятилетия проводятся
обширные исследования в области саморазвива;
ющихся систем, которые характеризуются иерар;
хией уровней и появлением по мере их развития
новых уровней, воздействующих на ранее сло;
жившиеся и видоизменяющих их. Важнейшими
характеристиками самоорганизующихся систем
являются их нелинейность, стохастичность, на;
личие большого числа подсистем, открытость,
необратимость [1].
Неравновесность приводит к возникновению
структур нового типа – диссипативных структур,
весьма важных для понимания когерентности и
организации в неравновесном мире. После того,
как один из путей развития системы выбран и на
смену неустойчивости устанавливается новый
порядок, в силу снова вступает детерминизм до
тех пор, пока вследствие усиления флуктуаций не
возникает новая форма бифуркации [2]. Дейст;
вие стохастических и детерминированных преоб;
разований переводит систему из исходных состо;
яний в новые, при этом определется, какие
именно новые конфигурации реализуются. Эти
процессы присущи всем необратимым явлениям,
в том числе биологическим.
Более того, в последнее время введено поня;
тие глобального эволюционизма [3], характе;
ризующего экстраполяцию идей, получивших
обоснование в биологии и химии, во все сферы
действительности и рассмотрение неживой,
живой и социальной материи как единого уни;
версального процесса. Это обусловлено тем,
что все структуры в процессе связаны и взаимо;
зависимы.
Глобальный принцип эволюции системы оп;
ределяется происходящими флуктуациями. Мо;
дели «порядок через флуктуации» позволяют по
И. Пригожину [1, 2] раскрыть перед нами неус;
тойчивый мир, в котором малые причины по;
рождают большие следствия. Накопленные фак;
ты свидетельствуют о возникновении порядка из
хаоса, образовании новых структур и самоорга;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6 5
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Наведено аналіз аналогії аероди)
наміки і теплообміну при обтіканні по)
верхні зі сферичними поглибленнями
тіла живих істот та технічних пристроїв.
Приведен анализ аналогии аэроди)
намики и теплообмена при обтекании
поверхности со сферическими углубле)
ниями тела живых существ и техничес)
ких устройств.
The analysis is given considering analo)
gy of aerodynamic and heat transfer
processes in the life world and engineering.
УДК 536.1:577.3(075.8):532.516
ДОЛИНСКИЙ А.А.1, ДРАГАНОВ Б.Х.2,
ХАЛАТОВ А.А.1
1Институт технической теплофизики НАН Украины
2Национальный аграрный университет Украины
АНАЛОГИЯ АЭРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В
ЖИВОМ МИРЕ И ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ
CD – коэффициент сопротивления;
f – гидравлическое сопротивление;
Nu – число Нуссельта;
K – энтропия Колмогорова;
Reh – число Рейнольдса;
r – естественная координата;
S – энтропия;
t – время;
W – термодинамическая вероятность состояния;
Xi – макроскопическая переменная;
λ – управляющий параметр;
ω – элементарное событие.
Индексы:
0 – начальное значение;
i – номер макроскопического параметра;
ген – генетический;
к – компонент;
сам – самоорганизация.
низации приемлемых процессов не только в жи;
вых, но и в неорганических системах. Проводи;
мые в 50;е годы Б.И. Белоусовым и А.М. Жабо;
тинским эксперименты с самоорганизующимися
химическими реакциями послужили основой для
построения И. Пригожиным и его школой мате;
матической модели самоорганизующихся про;
цессов.
Рассмотрим общее свойство уравнения эво;
люции диссипативной системы. Обозначим пол;
ный набор макроскопических переменных такой
системы через Х1, …, Хn. Эволюция этих перемен;
ных во времени будет описываться системой
уравнений
. (1)
Здесь функции Fi могут столь угодно сложным
образом зависеть от переменных Х и их прост;
ранственных характеристик и явным образом —
от пространственных координат r и времени t.
На эволюцию влияет изменение некоторых
характерных для данной задачи параметров, ко;
торые могут изменяться внешним миром. Эти
параметры могут называться управляющими.
Обозначим их через λ и запишем уравнение (1) в
виде
. (2)
Для случая равновесного процесса будем
иметь
. (3)
Эти соотношения налагают определенные ог;
раничения. Например, законы эволюции долж;
ны быть таковы, чтобы выполнялось требование
положительности температуры или химической
концентрации.
В случае консервативной системы решение
уравнения (2) не представляет трудностей: эво;
люция целиком диктуется начальными условия;
ми. В случае диссипативных систем поиск крите;
риев эволюции связан с трудностями.
Движущая сила эволюции обусловлена вто;
рым началом термодинамики и конкретно прин;
ципом максимума производства энтропии.
Как известно, энтропия S определена как ло;
гарифм числа W возможных состояний системы
при заданных условиях:
S = – K ln W. (4)
Это выражение характеризует меру количества
информации в системе при заданных признаках
и условиях. Поскольку энтропия определяется
через логарифмическую функцию, она аддитив;
на. То обстоятельство, что энтропия одновремен;
но и физическая переменная, и мера информа;
ции, является ее особенностью.
Главная особенность жизни, как открытой
термодинамической системы в том, что внешняя
среда взаимодействует с ее формами и процесса;
ми на основе синтеза информации путем измене;
ния нормировки энтропии. Поскольку синтез
информации есть изменение признаков и усло;
вий в определении энтропии, отличительной
особенностью синтеза генетической информа;
ции является иерархичность [3–5]. Это означает,
что каждый раз изменение признаков и условий
создает локальный путь отсчета энтропии. Мор;
фологическая иерархичность – это все более ук;
рупняющийся симбиоз.
Энтропия к;го вида живого записывается так:
Sк = Sк,ген + Sк,сам, (5)
где Sк,ген — сумма меры генетической информа;
ции; Sк,сам — мера информации о процессах са;
моорганизации, для которых свойства элементов
системы задает величина Sк,ген.
Ценность генетической информации Zк пока;
зывает во сколько раз уменьшается количество
информации при переходе к следующей ступени
иерархии синтеза информации.
Следует отметить одну особенность эволюции
всего живого. Для живых систем характерно пре;
вышение производства энергии над ее диссипа;
цией, а избыток энергии аккумулируется в виде
«отходов» или функционально используемой
массы, например, мышечной [4]. Это наблюдает;
ся на всех ступенях эволюции, для всех видов жи;
вого. Жизнь без механизма производства энер;
гии для метаболизма существовать не может.
Для динамических явлений А.Н. Колгоморов,
используя идеи теории информации, ввел поня;
[ ]λ =( ), 0
i
F X
[ ]∂
= λ
∂
( ),i
i
X
F X
t
∂
=
∂
( ,..., , , ,...)i
i i n
X
F X X r t
t
6 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
тие динамической энтропии, называемой также
K;энтропией, обозначаемой через h [6]. K;систе;
мы определены Колмогоровым как квазирегу;
лярные, чем подчеркивается аналогия с регуляр;
ными случайными процессами. Существенным
развитием K;системы явилась более специаль;
ная теория Д. Орнстейна [7], в которой исполь;
зуются вспомогательные случайные процессы.
Случайный стационарный процесс можно рас;
сматривать как процесс {Xt(ω)}, пространством
элементарных событий которого служит прост;
ранство Ω выборочных функций ω. Заметим, что
выборочная функция – это функция Xt = Xt(ω)
аргумента t, однозначно соответствующая каж;
дому наблюдению случайного процесса Xt ∈ Е,
t ∈ T, где ω = Ω – множество элементарных со;
бытий. Случайный процесс Xt характеризуется
вероятностной мерой в пространстве выбороч;
ной функции.
K;энтропия как мера степени неопределенно;
сти случайной величины в динамических систе;
мах может служить основой для более глубокого
анализа процесса эволюции.
Рассматриваемые системы являются сложноор;
ганизованными, к тому же обладающими иерархи;
ческой структурой. При этом переход на более вы;
сокий уровень сопровождается уменьшением
числа степеней свободы. Более высокий уровень
получает «снизу» селективную информацию и в
свою очередь управляет динамикой на более низ;
ком уровне с помощью упреждающей связи.
Изменение системы имеет место, когда она те;
ряет устойчивость, претерпевая дискретную се;
рию бифуркаций или переходя иерархически из
одного состояния в другое.
Эволюция всегда направлена на оптимальное
решение задачи функционирования живого су;
щества. Таких циклов можно привести множест;
во. Рассмотрим фотографию летающего насеко;
мого, сделанную инженером А.В. Лисовским в
Киевской области (рис. 1). Как видно, поверх;
ность насекомого покрыта регулярными углубле;
ниями сферической формы, что способствует
улучшению аэродинамических характеристик в
условиях полета.
Голова насекомого близка по форме к шару и на;
поминает поверхность мяча для игры в гольф. Как
известно, нанесение углублений на поверхности
мяча для игры в гольф смещает точку ламинарно;
турбулентного перехода вниз по потоку, сокращает
зону отрыва потока за ним и, как результат, снижа;
ет коэффициент аэродинамического сопротивле;
ния (рис. 2). Что касается поверхности насекомого,
то образование углублений в процессе эволюции
обусловлено отрывным обтеканием тела насекомо;
го при работе его крыльев и полете при больших уг;
лах атаки. Наличие углублений позволяет автомати;
чески управлять зоной отрыва потока и уменьшать
аэродинамическое сопротивление корпуса.
Обнаруженные аэродинамичекие особеннос;
ти обтекания поверхностей с поверхностными
углублениями широко используются в техничес;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6 7
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 1. Фото летающего насекомого.
ких приложениях [8–10]. Факт положительного
влияния поверхностных углублений на теплооб;
мен и гидравлическое сопротивление обнаружен
при исследовании плоских каналов с многоряд;
ными углублениями (рис. 3) на стенках канала.
В исследованиях российских ученых было об;
наружено, что сферические углубления генери;
руют пульсирующие вихри особой природы. Вы;
ходя из углубления, такие вихри разрушают
пограничный слой между соседними углублени;
ями и меняют ориентацию множества мелких
турбулентных вихрей в направлении основного
вихря, прерывая тем самым каскадный механизм
диссипации турбулентности. Формируемые вих;
ревые структуры «абсорбируются» основным по;
током практически без потерь давления, что созда;
ет условия для опережающего роста теплообмена
по сравнению с сопутствующим увеличением гид;
равлических потерь. Это обеспечивает оптималь;
ное сочетание таких не простых явлений как теп;
лообмен и аэродинамика воздушного потока [9]. В
ряде случаев при внешнем обтекании система по;
верхностных вихрей формирует вихревую «сетку»
на поверхности, что характеризует самоорганиза;
цию вихревой системы.
Рассмотрим соотношение между переносом
теплоты и сопротивлением. Для оценки теплоги;
дравлической поверхности используем фактор
аналогии Рейнольдса
η = (Nu / Nu0)/(f / f0), (6)
где Nu, f – число Нуссельта и коэффициент со;
противления поверхности с углублениями; Nu0,
f0 – то же для гладкой поверхности. В формуле
(6): – стандартное представление
интенсификации теплообмена; – стан;
дартное представление увеличения гидравличес;
ких потерь.
На рис. 4 результаты выполненных ранее
исследований представлены в виде зависи;
мости фактора аналогии Рейнольдса от от;
носительных потерь сопротивления. Эти данные
соответствуют «узким» каналам с углублениями
на обеих сторонах и каналам с выступами раз;
личной формы в поперечном сечении канала.
Как следует из рисунка, все опытные данные ха;
рактеризуются единой зависимостью, т.е. имеет;
0
f / f
0
Nu/Nu
8 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 2. Коэффициент сопротивления гладкого и
шероховатого шаров, а также шара с
углублениями.
Рис. 3. Поверхность со сферическими
углублениями.
Рис. 4. Зависимость фактора аналогии
Рейнольдса от относительных потерь
давления [10].
ся однозначная связь между интенсификацией теп;
лообмена и относительными потерями давления.
Из представленных опытных данных можно
сделать заключение, что наиболее высокими зна;
чениями фактора аналогии Рейнольдса (больше
единицы) характеризуются каналы без загро;
мождения поперечного сечения в области низких
чисел Рейнольдса. Здесь интенсификация тепло;
обмена опережает сопутствующий рост гидрав;
лического сопротивления, что может быть ис;
пользовано в технических устройствах. Это
обусловлено тем, что вихри, формируемые по;
верхностными углублениями по;разному воздей;
ствуют на перенос теплоты и импульса.
Живые существа часто являются примером
того, как надо создавать технические устройства
и находить оптимальные решения. Хотя наши
возможности воздействия на природу незначи;
тельны, но учиться у нее во многих случаях воз;
можно.
Выводы
Аэродинамика и теплообмен на поверхности
живых существ часто являются примером для со;
здания технических устройств. Изучая законо;
мерности эволюции живых существ, можно за;
имствовать оптимальные инженерные решения у
природы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пригожин И. Введение в термодинамику
необратимых процессов. – М.: ИЛ, 1960. – 127 с.
2. Пригожин И. От существующего к возни;
кающему: время и сложность в физических на;
уках. – М.: Наука, 1985. – 327 с.
3. Николис Дж. Динамика иерархических си;
стем: эволюционное представление. – М.: Мир,
1989. – 488 с.
4. Хазен А.М. Происхождение и эволюция
жизни и разума с точки зрения синтеза информа;
ции // Биофизика. – 1922. – Т. 37, вып. 1. –
С. 105–121.
5. Драганов Б.Х., Мельничук М.Д. Термодинами;
ка фотосинтеза. – К.: Фірма “ІНКОС”, 2006. – 64 с.
6. Колмогоров А.Н. // ДАН СССР. – 1958. –
Т. 119. – С. 861.
7. Орнстейн Д. Эргодическая теория, случай;
ность и динамическая система. – М.: Мир, 1978.
8. Борисов И.И., Халатов А.А., Кобзарь С.Г.
Теплообмен и сопротивление в щелевых каналах
со сферическими углублениями и дистанциони;
рующими элементами // Пром. теплотехника. –
2005. – Т. 27, № 5. – С. 10–17.
9. Халатов А.А., Борисов И.И., Шевцов С.В.
Теплообмен и гидродинамика центробежных
массовых сил. Том 5. Тепломассообмен и тепло;
гидравлическая эффективность вихревых и за;
крученных потоков. – К.: ИТТФ НАН Украины,
2005. – 500 с.
10. Онищенко В.Н., Халатов А.А., Коваленко А.С.
Теплогидравлическая эффективность плоских
каналов с поверхностными генераторами вихрей
и выступами // Пром. теплотехника. – 2006. –
Т. 28, № 6. – С. 5;14.
Получено 07.08.2007 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 6 9
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
|