Сердце — лучший насос: как принцип его работы может снизить турбулентность и потребление энергии

Сердце — удивительный орган, который обеспечивает кровообращение в нашем организме. Оно работает с постоянной частотой, но не равномерно: между каждым сокращением есть короткая пауза, во время которой кровь заполняет желудочки. Этот ритмический процесс позволяет сердцу эффективно перекачивать кровь по сосудам, минимизируя трение и сопротивление.

Можно ли использовать этот принцип для повышения энергоэффективности других систем, в которых требуется перекачка жидкостей? Например, для транспортировки нефти по трубопроводам или для циркуляции воды в отопительных системах. Ученые из Института науки и технологии Австрии решили проверить эту идею на практике и обнаружили, что имитация сердечного ритма может существенно снизить турбулентность в потоке жидкости и, соответственно, уменьшить энергозатраты на ее перекачку.

Для проведения эксперимента исследователи сконструировали простое устройство, в котором вода подавалась через прозрачную трубу с помощью специального шприца, позволяющего точно контролировать ее скорость. Для наблюдения за потоком воды они добавили в нее отражающие частицы и осветили ее лазерным лучом, проходящим по центру трубы. Таким образом, они могли визуально наблюдать течение жидкости с регулярными интервалами.

Используя эту установку, ученые измерили степень турбулентности, возникающей при различных режимах импульсной подачи воды. Они обнаружили, что наиболее эффективным оказался режим, очень похожий на поток крови, создаваемый человеческим сердцем. При этом между каждым импульсом была введена короткая фаза покоя, во время которой жидкость заполняла шприц. Такой режим позволил снизить трение в трубе на 25% и общее потребление энергии на 9%.

Ученые полагают, что этот метод может быть применен для повышения энергоэффективности различных систем, в которых используется перекачка жидкостей. Для этого необходимо модифицировать насосы так, чтобы они работали с импульсным режимом. Это будет гораздо дешевле и проще, чем менять конструкцию или покрытие труб, которые часто имеют большую длину и сложную форму.

Однако ученые признают, что имитация сердечного ритма не является универсальным решением для всех случаев. В некоторых системах импульсная подача жидкости может быть нежелательна или невозможна из-за особенностей конструкции или функционирования. Кроме того, не исключено, что такой режим может привести к износу или поломке насосов. Поэтому для практического применения этого метода необходимо провести дополнительные исследования и тестирования.

Какой физический механизм объясняет снижение турбулентности при импульсной подаче жидкости?

Один из возможных механизмов — это так называемый эффект Кельвина-Гельмгольца, который связан с неустойчивостью границы раздела двух сред с разной скоростью. Когда жидкость подается импульсами, граница раздела между быстрым и медленным потоком становится более устойчивой, так как разность скоростей уменьшается. Это приводит к уменьшению образования вихрей и завихрений, которые вызывают турбулентность.

Какие преимущества имеет импульсная подача жидкости по сравнению с другими способами борьбы с турбулентностью, например, использованием специальных покрытий или добавок к жидкости?

Преимущества импульсной подачи жидкости заключаются в том, что она не требует изменения свойств жидкости или труб, а только регулирования скорости насоса. Это делает ее более дешевой, простой и универсальной. Кроме того, импульсная подача жидкости может быть более эффективной, так как она учитывает динамику потока и адаптируется к нему.

Источник: New Scientist