Алексей Шишманцев

Алексей Шишманцев (ник на форуме — Torus) создал стенд для повторения опытов Котоусова. Полученными результатами он любезно поделился с посетителями сайта. Для связи с ним автор просит использовать адрес torus2@yandex.ru.

Повторение опытов Л.С.Котоусова. Часть I
Повторение опытов Л.С.Котоусова. Часть II
   Вклад эжектируемого воздуха
   Зависимость от расстояния
   О стабильности результатов
   Сравнение с результатами Котоусова
   Итоги и перспективы

Повторение опытов Л.С.Котоусова. Часть I

Автор создал специальный стенд и повторил опыты Л.С.Котоусова. Судя по приведённым автором данным и фотографиям, стенд и прочее необходимое оборудование изготовлены вполне качественно и обеспечивают точность, достаточную для корректной фиксации эффекта. Конечно, объём проведённых измерений был гораздо меньше желательного, однако дополнительные измерения при тех же условиях нужны не столько для подтверждения принципиальных результатов, сколько для прослеживания тенденций. Возможно, существенные изменения условий, такие как изменение конструкции сопла и переход к другим диапазонам давлений, дадут принципиально другие результаты. Особая ценность этих опытов заключается в том, что автор воспроизвёл их максимально независимо от самого Л.С.Котоусова — лишь на основе его статьи и моих материалов, размещённых на этом сайте. Кроме того, автор качественно обработал результаты и провёл их анализ несколькими путями, что даёт очень ценную информацию для желающих убедиться в наличии эффекта Котоусова и попытаться использовать его на практике.

Я считаю необходимым подробно прокоментировать два момента в этой статье.

Во-первых, это формула (1) для расчёта мощности в сопле, которая может показаться несколько надуманной. На самом деле здесь всё правильно, достаточно посмотреть на классическую формулу потенциальной энергии в поле тяготения  E = m · g · Δh с учётом того, что мощность равна энергии, затраченной на подъём нужной массы за единицу времени (т.е. в нашем случае для восполнения массового расхода жидкости). Высота подъёма, требуемая для создания нужного гидростатического давления (напора) вычисляется через плотность жидкости  ρ по другой не менее классической формуле  ΔP = ρ · g · Δh. Отсюда мы получаем

Во-вторых, это расчёт силы давления на лопасть динамометра по классической гидродинамической методике, который автор поместил в разделе «Некоторые соображения». И это гораздо серьёзнее. Дело в том, что результаты этого расчёта совпали с экспериментальными данными с точностью до погрешности измерений (на падение плотности с температурой уповать не стоит — при указанных температурах плотность воды меняется на сотые доли процента, и на неё гораздо больше влияет состав растворённых веществ, нежели температура)! Что отсюда следует? Отсюда следует, что коэффициент формы лопасти 1.4, использованный Котоусовым, в данном случае неверен, и следует использовать классический коэффициент, равный 1. Почему у Котоусова мог получиться настолько завышенный коэффициент? Я далёк от мысли о сознательной мистификации, поскольку здесь слишком велик риск для репутации при полном отсутствии видимого профита. А добросовестное заблуждение могло произойти потому, что использованная Котоусовым микротурбина показывала завышенную скорость, скажем из-за того, что её лопасти входили в струю и выходили из неё под углом или ещё по каким-то причинам. Впрочем, в своей статье Котоусов не приводит подробных чертежей турбины и деталей измерения скорости струи с её помощью, поэтому сказать здесь что-либо трудно.

Следует ли считать, что эффект Котоусова «закрыт»? Думаю, что делать однозначный вывод ещё рано! Ведь в своей статье Котоусов говорил о значениях коэффициента преобразования  q, уверенно превышающих 3 и достигающих 4.5, в то время как автору пока удалось получить коэффициент преобразования не более 2 с котоусовским коэффициентом формы лопасти 1.4 (при «классическом» коэффициенте формы, в данном случае равном единице, этот коэффициент преобразования равен 1, т.е. какой-либо энергетический выигрыш отсутствует, правда, и сколько-нибудь существенных потерь тоже не наблюдается). Если удастся достоверно получить хотя бы  q = 2.5 (при  k = 1.4), то можно будет однозначно говорить о подтверждении эффекта Котоусова. Однако для этого надо продолжать эксперименты с различными соплами, расстояниями и давлениями.

Другой путь — это непосредственное измерение мощности струи, однако не с помощью турбины на холостом ходу, как у Котоусова, а с помощью турбины нагруженной и совершающей работу (скажем, поднимающей груз) — то есть измерение мощности как величины работы, совершённой турбиной за единицу времени (за 1 секунду). Здесь есть один нюанс. Поскольку скорость струи для каждого значения давления фиксирована, то следует изменять нагрузку турбины (массу груза) до максимального веса, который ещё поднимается с достаточной скоростью, т.е. искать экстремум работы, совершаемой турбиной за единицу времени. Значение этого экстремума и будет равно полезной мощности струи. Кстати, именно этот вариант наиболее близок к простейшему использованию эффекта Котоусова, а в случае удачи эксперимента он легко превращается в практически полезную демонстрационную установку.

В идеале, нужно применять оба метода одновременно — это позволит наиболее объективно оценить существование эффекта Котоусова, а также его природу и его возможности, — конечно, если он будет подтверждён.

Повторение опытов Л.С.Котоусова. Часть II

После обсуждения методики и результатов первых опытов, автор модифицировал стенд и профиль сопла. Небольшая, казалось бы, модификация сопла (снятие фаски с внутреннего(!) края примерно на 0.3 мм при диаметре отверстия 4.6 мм) существенно (от 14% до 19%) увеличила расход при тех же давлениях и том же проходном сечении. В результате даже по классическим гидродинамическим формулам (без учёта котоусовского повышающего коэффициента 1.4) коэффициент энергетической эффективности  q при давлении 2 бара получился в диапазоне от 1.34 до 1.42 (лучшие значения в разных сериях), а усилие на измерительной лопасти превысило теоретически возможное на 16% (в случае отсечения эжектируемого воздуха — на 11%), что позволяет вполне уверенно говорить о принципиальном подтверждении наличия эффекта Котоусова при измерении на динамометре.

Особый интерес представляет расширенная серия измерений, которая не только даёт достаточно систематический материал для анализа, но и позволяет оценить вклад в давление на лопасть динамометра эжектируемого струёй воздуха. При этом первую серию измерений на модифицированном стенде можно рассматривать как контрольную, показавшую достаточно хорошую стабильность данных, а следовательно, высокую степень их адекватности и достоверности.

Вклад эжектируемого воздуха

Попробуем оценить силу струи при данном расходе, рассчитанную по классической методике для номинальных скоростей истечения по Торричелли (в нашем случае  k = 1):
при 1 баре  F = 1 · 0.190 · 14.1 = 2.71 Н;
при 2 барах  F = 1 · 0.271 · 20.0 = 5.42 Н.
Без учёта эжекции для давления 1 бар сила на динамометре не превышает расчётную (максимум — 2.70 Н на дистанции 355 мм), для давления 2 бара — уверенно превышает её на 11% (до 6.03 Н на дистанции 205 мм). Если эжектируемый воздух не экранируется, то сила давления на лопасть превышает расчётную до 5% при давлении 1 бар (2.84 Н на дистанции 355 мм) и до 16% при давлении 2 бара (6.27 Н на дистанции 205 мм). В обоих случаях вполне логично наблюдается увеличение вклада эжектируемого воздуха с ростом расстояния от сопла (данные для дистанции 55 мм при расстоянии между экраном и лопастью 40 мм следует игнорировать, поскольку экран находится слишком близко к соплу).

Зависимость от расстояния

Для давления 1 бар, на котором в данной серии опытов эффект проявлялся слабо (с отсекателем воздуха — практически отсутствовал), ощутимой зависимости от расстояния нет, за исключением небольшого роста усилия на лопасти за счёт эжектируемого воздуха. Для давления 2 бара, где эффект Котоусова хорошо заметен, такая зависимость явно присутствует с выраженным максимумом на дистанции 205 мм, причём эжекция воздуха на это не влияет.

О стабильности результатов

Сравнивая результаты двух серий экспериментов на модифицированном стенде, разделённых двумя неделями (вполне достаточно для нивелировки случайных погрешностей), можно заметить, что измерения расхода совпали практически идеально. Измерения усилия на лопасти динамометра для случаев, когда эффект Котоусова слабо выражен, также совпадают с высокой точностью (в трёх случаях расхождение менее 1% и лишь в одном случае 1.5%). Это говорит о стабильности показаний измерительной аппаратуры и устойчивости её работы. Но в тех случаях, когда эффект Котоусова заметно выражен, имеются существенные расхождения — при давлении 2 бара усилия на лопасти динамометра различаются на +6% на дистанции 305 мм и достигают –2.5% на пиковой дистанции 205 мм, при том что внутри каждой серии разброс измеренных на этих дистанциях значений гораздо меньше — в измерениях первой серии он укладывается в 1.5% процента, а во второй серии не превышает 0.8%.

Чем это можно объяснить? Возможно, как-то влияет состав или температура воды и воздуха, относительная влажность или атмосферное давление, обычные колебания которого могут превышать ±5% от номинального значения. А возможно, действуют какие-то другие факторы, которые ещё только предстоит выяснить.

Сравнение с результатами Котоусова

Поскольку А.Шишманцев предоставил достаточный объём данных для того, чтобы можно было проследить некоторые тенденции и закономерности, будет особенно интересно сравнить его результаты с результатами самого Л.С.Котоусова.

1. Существование эффекта. Оба исследователя подтвердили его наличие.
2. Величина эффекта. Без учёта повышающего коэффициента 1.4 у Котоусова коэффициент энергетической эффективности получается в среднем 1.5 с максимумом, превышающим 2.0. У Шишманцева при проявлении эффекта в тех же условиях коэффициент находится на уровне порядка 1.2 с зафиксированным в первой серии максимумом на уровне 1.42.
3. Зависимость от расстояния. Котоусов говорит о том, что в пределах от 5 до 50 см зависимости от расстояния практически нет. По данным Шишманцева имеется явно выраженный пик в районе 20 см, однако он весьма узок (около 5 см), а в остальном диапазоне от 5 до 40 см эффект достаточно стабилен, хотя намного слабее, чем в пике.
4. Зависимость от давления. По данным Котоусова, эффект входит в полную силу, начиная с давления 0.5 бар, и далее стабильно проявляется во всём диапазоне исследованных им давлений вплоть до 4 бар, причём максимум наблюдается в диапазоне 0.5-1.5 бара в зависимости от профиля сопла. У Шишманцева при 1 баре эффект практически не проявляется, но уверенно фиксируется при 2 барах. К сожалению, на данный момент автором статьи проведены измерения только для этих двух давлений, причём достижение более высоких давлений для него проблематично по техническим причинам.
5. Влияние эжекции воздуха. По данным Котоусова, эжектируемый воздух даёт 5-6% усилия на лопасти динамометра диаметром более 2.2 см и 10-12% за пределами диаметра 1.3 см. Результаты Шишманцева подтверждают это: ограничение струи экраном с отверстием диаметром 2 см на длине струи 40 см также снижает усилие на лопасти динамометра на 5-6%.
6. Влияние формы сопла. И Котоусов, и Шишманцев отмечают влияние формы сопла на проявление эффекта. Однако если по данным Котоусова эффект, в конечном счёте, проявлялся при любых профилях исследованных им сопел, то у Шишманцева эффект проявился лишь после снятия внутренней фаски сопла, что вызвало неожиданно большое повышение удельного расхода. Котоусов таких эффектов не отмечает (возможно, токарь, вытачивавший его сопла, чуть-чуть сглаживал внутренние фаски «на автомате», в силу профессиональной привычки, и на это никто не обратил внимания).

Таким образом, в деталях различия между результатами Шишманцева и Котоусова достаточно заметны. Это вполне нормально для малоисследованного явления, и чтобы понять причину этих расхождений, надо продолжать исследования.

Итоги и перспективы

Подводя итоги II части опытов А.Шишманцева, можно сказать, что эффект Котоусова нашёл независимое подтверждение, хотя в некоторых случаях его поведение весьма существенно отличается от описанного самим Котоусовым. Дальше стоят три главные задачи.

1. Необходимо выявить профиль сопла, при котором эффект Котоусова максимален при сохранении расхода (или хотя бы при сохранении просвета сопла). По всей видимости, как и предполагает автор, ключ лежит в сочетании максимального расхода с максимальным сжатием струи. Для практического использования не следует пренебрегать эжекцией воздуха, и потому вполне уместны эксперименты с различными воздушными насадками на сопло, наподобие упомянутого в конце статьи. Не стоит забывать и проскочившее в статье Котоусова вскользь упоминание о бóльшей эффективности кривых сопел.
2. Надо добиться максимальной стабильности проявления эффекта в сериях измерений, разделённых существенными интервалами времени (несколько дней или недель), для чего необходимо выявить, какие внешние факторы влияют на эффект. Здесь в первую очередь следует обратить внимание на метеорологические условия — температуру воды и воздуха, относительную влажность, а также атмосферное давление.
3. Нужно попытаться использовать эффект Котоусова на практике, для чего следует перейти от статических измерений динамометром к использованию турбины, причём турбины не на холостом ходу, как у Котоусова, а нагруженной, как было описано в конце комментария к первой части опытов А.Шишманцева. Если эффект пропадёт, придётся выявлять причины.

♦