Левитация шара в стесненном потоке

Деменок С. Л.

ЛЕВИТАЦИЯ ШАРА
В СТЕСНЕННОМ ПОТОКЕ

СТРАТА
Санкт-Петербург

2017

 левитация ШаРа

в стесненном потоке

СТРАТА
Санкт-Петербург

2017

с. л. Деменок

УДК 532.546:536.24
ББК 30.124:31.31
Д 30

ISBN 978-5-9909788-3-6

© Деменок С. Л., 2017, текст 
© «Страта», 2017

Деменок С. Л
Левитация шара в стесненном потоке / Сергей Деменок. —
СПб.: Страта, 2017. — 130 с., с илл.

ISBN 978-5-9909788-3-6

Монография рассматривает вопрос применения гидроаэродинамической левитации для повышения эффективности энергетических аппаратов.
От основных физических эффектов левитации автор переходит к частным случаям левитации шара в стесненном потоке и ее 
применению в различных технических приложениях для обеспечения высокой эффективности теплового и массообменного 
оборудования. Через фундаментальные исследования и грамотно 
выполненные инженерные решения раскрываются новые возможности для энергосбережения на нефтехимических, химических и других предприятиях.
Монография предназначена для специалистов-теплотехников, занимающихся решением теоретических и прикладных задач по тепло- и массообмену. Может быть полезна для студентов, 
обучающихся по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника»,»Ядерная энергетика и технологии», «Физика», «Физико-технические науки и технологии».

Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было 
средствами, будь то электронные или механические, включая фотокопирование 
и запись на магнитный носитель, а также размещение в Интернете, если на то нет 
письменного разрешения владельцев.
All rights reserved. No parts of this publication can be reproduced, sold or transmitted by any means without permission of the publisher.

Д 30

УДК 532.546:536.24
ББК 30.124:31.31

Главное — не прекращать 
задавать вопросы.

Альберт Эйнштейн

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
6
ГЛАВА 1. БАЗОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
9
1.1. Притягивающее — отталкивающее действие струи 
9
на тело
9
1.2. Эффект Коанда
10
1.3. Эффект Магнуса
12
1.4. Парадокс Эйлера – Даламбера 
14
1.5. Эффект Эйфеля
17
1.6. Струйное обтекание цилиндра 
19
1.7. Струйное обтекание шара
20
1.8. Эффект левитации тел вращения 
22
в стесненном потоке
22
1.9. Модель обтекания шара в стесненном потоке
27
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ 
КАЧЕСТВЕННЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ  
ЛЕВИТАЦИИ ШАРА 
33
ГЛАВА 3.  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 
ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЯЧЕЙКИ   
С ЛЕВИТИРУЮЩИМ ШАРОМ 
44
ГЛАВА 4.  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТА ЛЕВИТАЦИИ
ШАРА В ТРУБАХ И КАНАЛАХ  
48
4.1 Гидродинамика
48
4.2 Интенсификация теплообмена
60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: ЛЕВИТАЦИЯ И ОЛУНЕНИЕ
72
Приложение 1
77
Приложение 2
93
Приложение 3
106
Список литературы
126

ВВЕДЕНИЕ

В мистических текстах о левитации упоминается о сверхъестественной способности преодолевать силу притяжения Земли без каких либо 
устройств. Однако современные инженеры создали немало практических устройств, производящих эффект левитации. Одна из самых известных таких машин — это левитирующий поезд Маглев. Вот уже 
несколько десятилетий по железным дорогам в разных частях света передвигаются «летающие поезда» на магнитной подушке (рис. 1).

Рис. 1. Левитирующий поезд Маглев

Рис. 3. Левитирующая лампочка
Рис. 2. Левитирующий диван

Еще одно новейшее изобретение — левитирующий диван «Облачная 
софа», использующий  в своей конструкции принцип магнитной левитации. Софа состоит из двух частей — стоящей на полу платформы и зависшего над ней матраса в виде пушистого облака. Такой диван позволяет вам,  расслабившись на нем, буквально парить в воздухе (рис. 2).
Не менее удивительным устройством является левитирующая 
лампочка Flyte (рис. 3). Хотя концепция беспроводной передачи электроэнергии впервые была предложена Николой Тесла еще в начале XX  века, 
использовать ее начинают только сейчас. 

Шведский изобретатель Саймон Моррис захотел изменить классическую конструкцию лампочки, которая не менялась в течение последних 
135 лет. Это может показаться нереальным, но лампочка Морриса может 
работать получая энергию из окружающего воздуха! Лампочка Flyte является беспроводной лампочкой, которая парит в воздухе над небольшим деревянным основанием, в которое встроены магниты. 
Вот как это работает: деревянное основание лампочки подключается 
к обычной электросети. Далее электроэнергия передается без проводов 
от основания к лампочке с помощью индуктивной технологии, уже использующейся в беспроводных зарядных устройствах для смартфонов. 
Чтобы заставить лампочку левитировать, нужно просто поместить ее 
в центр основания, после чего она взлетит в воздух и начнет вращаться.
У этого изобретения есть еще одна возможность применения — Flyte 
можно использовать в качестве беспроводного зарядного устройства 
для телефонов. Нужно просто положить смартфон на деревянное основание, чтобы он начал заряжаться. 

d0

d

D

Рис. 4. Тепловая труба с левитирующими шарами

Введение

Описанный в предыдущих примерах принцип магнитной левитации 
имеет множество технических применений. В широком смысле левитация (от лат. levitas «легкость, легковесность») есть преодоление гравитации. Традиционно левитацией считается отталкивание от воздуха, 
как в случае насекомых, птиц, аэропланов и ракет. Однако аэродинамическая левитация возможна. Так, например, шар в канале, омываемый 
потоком газа или воды, ведет себя так, словно гравитации не существует вовсе (рис. 4). Если начать вращать канал, как показано на рисунке, 
то в поведении шара ничего не изменится. Шар продолжает вращаться 
и вибрировать, не обращая внимания в горизонтальном или вертикальном положении находится канал, в котором он размещен.
Это вращение и пульсация шара способствует уменьшению толщины 
пограничного слоя  и может интенсифицировать теплообмен от стенок 
канала к потоку теплоносителя внутри канала. Поэтому гидроаэродинамическая левитация находит свое применение в тепло– и массообменном оборудовании. Подвижные турбулизаторы потока (в нашем случае 
это шар) способны обеспечивать высокую эффективность теплового 
и массообменного оборудования. 
Как показано в  настоящей работе, для интенсификации теплообмена 
не следует применять турбулизаторы с резкими очертаниями, так как 
в мощных вихрях, возникающих до них и за ними, диссипация энергии соизмерима или даже больше выработки турбулентности, что связано с большими гидравлическими сопротивлениями, а значит, и низкой 
энергетической эффективностью. Одинаковая (избыточная над диссипацией) выработка турбулентности у плавно и резко очерченных турбулизаторов достигается при существенно различных гидравлических 
потерях. У плавно очерченных турбулизаторов эти потери много меньше. В связи с этим шаровые, овальные или яйцевидные турбулизаторы 
перспективны для использования в теплообменниках и напряженных 
деталях тепловых двигателей. 
Настоящая работа представляет собой введение в область технического использования эффекта гидроаэродинамической левитации в технических приложениях, большинство из которых связано с повышением 
эффективности энергетических аппаратов.

Глава 1

Одно из применений уравнения Бернулли связано с эффектами притяжения и отталкивания тел струями. С одной стороны, струя может 
эжектировать окружающую среду, притягивать тела или сама притягиваться к телам за счет более низкого давления в струе по сравнению 
с давлением в окружающей среде. С другой стороны, струя выталкивает находящееся в ней тело, причем, по мере выравнивания давлений 
в струе и в окружающей среде, проявляется ударное действие струи 
на препятствие. 
Опишем связанные с указанными свойствами струи известные физические эффекты.

1.1. Притягивающее — отталкивающее действие струи 
на тело

Пусть струя вытекает из сопла с плоской шайбой. Небольшое плоское тело разместим перпендикулярно струе. По мере приближения тела 
к шайбе возрастает скорость радиальных потоков жидкости между телом и шайбой, давление в этой области становится меньше давления 
в окружающей среде, и тело притягивается к соплу до тех пор, пока 
притяжение не будет компенсировано выталкивающим действием струи 
[2.]–[5.].
Этот эффект лежит в основе прибора Клемана — Дезорма, описанного, например, в [3, с. 107]. На конце сопла диаметром ≈ 100 мм установлена шайба диаметром ≈ 200 мм, к которой на стержнях прикреплен 
диск диаметром ≈ 200 мм (рис. 1.1). 
Вдоль стержней диск может свободно перемещаться на расстояние 
до 20 мм от шайбы. Струя прижимает диск к шайбе настолько сильно, 
что подача воздуха почти прекращается, и диск падает под действием 
силы тяжести. Подача воздуха снова увеличивается — и диск поднимается. В силу кратковременности описанных явлений визуально наблюдается сближение дисков, сопровождаемое шумом от ударов диска 
о шайбу. 

 БАЗОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ