Газотермодинамика новой России

И вот 90-е годы. Распад СССР, хаос т. н. «рынка» и, как вынужденное следствие, – поиски способов адаптации населения и страны к новым реальностям. Достаточно быстро стала очевидной необходимость кардинального переобучения специалистов базовых отраслей для осмысления и эффективности работы в новых для России условиях экономики, права и управления.

В середине 90-х годов анализ экосистемы новых трендов и конъюнктуры показал серьезную озабоченность руководства страны в быстром и радикальном переобучении персонала, прежде всего в такой важной жизнеобеспечивающей отрасли, как электроэнергетика, в условиях кардинально изменившейся политической и организационно-экономической формации страны. Выходит Указ Президента РФ от 23 июня 1997 г. № 774 «О подготовке управленческих кадров для организации народного хозяйства», как мотиватор переобучения населения России.

Одним из первых и успешных проектов в формате «Ликбез 2.0» было воссоздание в 1997 г. института повышения квалификации энергетиков («ВИПКэнерго»!). За это время (15 лет) в институте прошли переподготовку десятки тысяч работников отрасли.

В настоящее время формат переобучения и повышения квалификации получил всеобщее распространение в виде концепции «Lifelonglearning».

Актуальность этой парадигмы ярко выявляется в настоящее время – эпоху «сверхзвукового» экспоненциального развития невиданных ранее инженерно-коммуникационных и социально-экономических технологий, переходом развитых стран на новый технологический уровень.

Как показано в [14, 15] нарушения метастабильного состояния могут быть как кризисными (стационарные и нестационарные «скачки конденсации»), так и эволюционными (гетерогенная конденсация).

Метастабильное состояние – его глубина и устойчивость – характеризуются степенью перенасыщения (или переохлаждения DТ = Тs – Т, где Тs – температура насыщения при давлении Р в системе, а Т – реальная температура метастабильного состояния перенасыщенного (переохлажденного) пара).

С ростом DТ увеличивается вероятность флуктуационного образования ассоциации молекул и растет скорость образования центров конденсации (скорость нуклеации) – которые могут быть устойчивыми и при интенсивном росте приводить к резкому нарушению метастабильности.

Наиболее наглядно процесс создания метастабильности системы и его скачкообразного разрушения можно продемонстрировать на примере расширения водяного пара в сверхзвуковом сопле из области перегретого пара в двухфазную область. В случае расширения с соблюдением полного термодинамического равновесия сразу после пересечения линии насыщения должна начаться конденсация пара в количестве соответствующем точкам изоэнтропы в равновесной области – диаграммы влажного пара. В действительности при быстром расширении пара в двухфазную область наблюдается значительное запаздывание начала конденсации. Пар расширяется с переохлаждением, которое возрастает вниз по потоку до некоторого предельного переохлаждения. Далее метастабильность нарушается, и перенасыщенная среда скачком переходит в новое состояние с потерей энергии и ростом энтропии системы.

При достижении предельного значения DТ = DТк скорость ядрообразования и конденсации растет лавинообразно, что и приводит к интенсивному выделению тепла, скачку давления и температуры и ударному переходу системы в новое состояние, которое может быть, как стационарным, так и нестационарным (напоминает точку бифуркации).

Будем определять такие ситуации как кризисы.

В [15] на основании комплексных исследований выявлены различные типы кризисов метастабильности

Кризис 1-го типа – стационарный «скачок конденсации» – фазовый переход из однофазного в двухфазное. Образуется, как правило, в сверхзвуковой области при достижении значения DТк‚ которое зависит от таких характеристик, как скорость расширения (скорость создания метастабильности), наличия инородных – введенных извне – центров конденсации, параметров пара на входе сопла.

Кризис 2-го типа – возникновение автоколебательного процесса характерен для особых – трансзвуковых – зон течения, т.е. зон перехода через скорость звука. Отметим существование различных типов особых точек, решения в которых (например, в горле сверхзвукового сопла) могут быть неустойчивыми, особенно при таких воздействиях, как «скачок конденсации» с интенсивным подводом тепла и ростом энтропии системы. В этом случае скачок образуется в области небольших сверхзвуковых скоростей, но его интенсивность такова, что он может перемещаться против потока в зону интенсивного ядрообразования, уменьшая переохлаждение пара до значений DТ < DТк и таким образом уничтожая причину своего возникновения. Затем он распадается,DТ вновь вырастает до критических значений, и процесс повторяется, сопровождаясь интенсивными пульсациями давления и температуры.

Кризисы 3-го в 4-го типа по [15] аналогичны кризису 2-го типа, но дополняются пульсациями расхода пара.

При определенных условиях относительно малые пульсации неравновесной среды (кризисы 2, 3-го типа) могут приводить к мультипликативным эффектам.

Практические последствия мультипликативных и резонансных эффектов такого типа могут быть весьма серьезными. Так в [15] показано, что в подобных случаях возможны аварийные ситуации, в частности поломки лопаток турбин АЭС.

6.3. Механизмы воздействия на кризисы неравновесных процессов

В [15] предложен и обоснован ряд способов и механизмов воздействия на кризисы такого типа в плане их смещения, локализации, подавления и минимизации последствий.

Влияние скорости расширения среды в зону метастабильности.

Показано, что с ростом скорости расширения глубина зоны метастабильности увеличивается, DТ возрастает, зона скачкообразной конденсации смещается по потоку в область б0льших чисел Маха.

При выходе из трансзвуковой области нестационарность вырождается, кризис 2-го или 3-го типа переходит в кризис 1-го типа.

Влияние пространственных параметров области возникновения критических значений метастабильности (аналог внешних ограничений).

Показано, что наибольшая вероятность возникновения нестационарности (кризисы 2-го и 3-го типа) соответствует достижению предельного переохлаждения среды в т.н. «особых» точках (в газодинамике – это область перехода через скорость звука). Изменяя геометрию сопла (внешние границы процесса течения), можно перевести течение из нестационарного (кризисы 2-го или 3-го типа) в стационарное.

Внешние воздействия.

Введение инородных (гетерогенных) центров конденсации, приводящих к замедлению или полному исключению возможности создания зоны метастабильности, стабилизации процесса или полному подавлению кризисных явлений. При этом, как показано в [15], даже малые дозы посторонних (введенных извне) центров конденсации могут играть доминирующую роль для процесса выхода системы из текущего метастабильного состояния. В терминах неравновесной термогазодинамики – это процесс течения с гетерогенной конденсацией. [15, 19]

К внешним воздействиям можно отнести и начальные параметры на входе в сопло. Так, с ростом температуры на входе в сопло глубина метастабильности (величина переохлаждения DТ) в потенциально кризисных зонах уменьшается, что приводит к изменениям типа кризиса или его полному вырождению.

6.4. Верификация и легитимация моделей кризисов метастабильности

После публикации монографии [15] происходит возрастание интереса к описанным выше процессам как в СССР, так и за рубежом.

Так в крупной работе ученых ведущей французской атомной корпорации Электриситэ де Франс (ЕdF) подтверждены различные типы кризисов нестационарной конденсации. При этом подчеркнут приоритет российской школы: «SALTANOV (1979) studies 3 kinds of unsteady condensation. Two of them are calculated by codу presented in this paper». [15]

Крупные работы по развитию этого направления опубликованы в 1995 г. и активно обсуждались на форуме «Euromech Collogium 331» в Геттингене, организованном на базе Университета Карлсруэ, где Г.А. Салтанов участвовал в качестве спикера и приглашенного профессора. Ведущий докладчик – проф. G.H. Schnerr особо отметил развитие этих работ именно на базе исследований [15].

Большой интерес был проявлен в Electrical Power Research Institute (EPRI) США, где автор был также приглашенным спикером на конференции EPRI Workshop, «Moisture nucleation in steam turbine» в 1995 г.

Кризисы метастабильности активно обсуждались и комментировались ведущими учеными в ряде других стран (проф. Бактар, Англия, Кембридж; проф. Gyarmathy, Швейцария; проф. М. Stasthy, (Чехия) и др.)

В России это направление оказалось востребованным при создании гиперзвуковых аэродинамических труб (работы ЦАГИ – Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н.Е. Жуковского). Так в монографии [19], подробно проанализированы и подтверждены все типы кризисов нарушения метастабильности спонтанной конденсации, впервые представленных в [15].

6.5. Методы неравновесной газотермодинамики в аспекте социогуманитарном

На основе вышеприведенного анализа процессов неравновесной газотермодинамики напрашиваются определенные аналогии с процессами развития социума в условиях нестабильности с различными типами кризисных явлений. Это подтверждается и при анализе работ школы И. Пригожина, где отмечается наличие важных общих компонент в методологической структуре естественнонаучного и социального познания [11, 12]. Особое внимание обращается на рассмотрение поведения неравновесных систем вблизи точек бифуркаций. При этом, как подчеркивает Пригожин, неизбежно напрашивается аналогия с социальными явлениями и даже с историей.

Существуют различные определения бифуркации (гл. 3) В аспекте термодинамической неравновесности можно использовать понятие бифуркации как период или момент в истории системы, когда она превращается из одной системной определенности в другую. Это точка критической неустойчивости развития, в которой система перестраивается, выбирает один из возможных путей дальнейшего развития, т.е. происходит некий фазовый переход. Периоды относительной стабильности (метастабильности) рассматриваются как некая база накопления разнообразия и дифференциации, трамплин для скачкообразного перехода в новое состояние системы.

При этом даже при наличии потерь энергии при фазовом переходе эти накопления и дифференциации, инициированные метастабильностью и последующими кризисами, приводят к более совершенному состоянию и развитию «новой» системы.

В то же время метастабильность вовсе неэквивалентна нестабильности и может длиться довольно долго, если никто не примется вдруг «раскачивать лодку».

В [11] эти явления рассматриваются с позиций самоорганизации. Отмечается, что важнейшей общей чертой широкого класса процессов самоорганизации является потеря устойчивости и последующий переход к устойчивым диссипативным структурам. В определенной мере это соответствует процессам и кризисам при течениях с неравновесными фазовыми переходами, рассмотренными выше. Это потеря относительной устойчивости (метастабильности) вследствие достижения критического переохлаждения (перенасыщения) потока пара, резкая активизация флуктуаций (скорости ядрообразования) и переход к новой устойчивой структуре (даже если она периодически нестационарна).

Возможные аналогии процессов и моделей метастабильности, нестационарности и кризисных явлений, рассмотренных в [15], с синергетическими моделями и методами анализа социально-экономического и политического развития страны в условиях локальной и глобальной нестабильности (см. работы И. Пригожина, А. Самарского, С. Курдюмова, Л. Лескова:

• Использование в обоих случаях понятий и моделей нелинейных неравновесных систем.

• Базирование на понятиях метастабильности, флуктуаций, фа-зовых переходов, факторах мультипликативности при кризисных явлениях, бифуркациях.

• Наличие схожих граничных условий и внешних воздействий на развитие или подавление неустойчивости и кризисных явлений.

• Использование современных методов математического моделирования и вычислительного эксперимента на основе нелинейной динамики и статистической физики, газодинамики.

При этом в качестве инструментов используются системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных и эффективные разностные схемы их решения.

Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики – неравновесной газотермодинамики, статистической физики, теории катастроф и др. Именно такой подход использовался в [15] при исследовании нестационарных неравновесных процессов газотермодинамики, что и позволило выявить и описать различные кризисные явления, кратко представленные выше.

6.6. Нелинейная динамика и метастабильность России

Рассмотрим в порядке эксперимента современное состояние и возможные пути социально-экономического и политического развития России в аспекте процессов, явлений и эффектов неравновесной газотермодинамики.

На основании проведенного выше анализа выделим следующие базовые позиции.