1.9. Перемешивание объёмов воды

Из рассмотрения содержания пункта 134 можно увидеть логическое противоречие между отрицанием принципа смешения и признанием перемешивания объёмов воды в водохранилище. Чтобы доказать отсутствие противоречия, необходимо обратиться к истокам возникновения теории смешения. 

В основу теории смешения положено явление, которое исследовал Рейнольдс. Согласно результатам широко известного эксперимента, переход окрашенной струи из ламинарного режима к турбулентному сопровождается мгновенным распределением краски струи в объеме окружающего её водотока.

Это явление и лежит в основе теории смешения. Перенос результата этих опытов в натуру оказался не простым. Вот  что записано А. В. Караушевым и Н. А. Панчуриным в Сборнике задач по гидравлике, выпущенном в 1957 г. [17, c. 94]: «Пульсация скоростей в турбулентном потоке связана с интенсивным перемешиванием водных масс. В той же мере турбулентная вязкость и турбулентная теплопроводность отличается от физической вязкости и теплопроводности воды.  Это перемешивание в тысячи, сотни тысяч раз превосходит интенсивность физической диффузии, т. е. перемешивания, обусловленного молекулярными явлениями.- И далее, - … уравнения турбулентного движения, турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности содержат свойственные для этого вида движения параметрами, именуемыми виртуальными коэффициентами вязкости, диффузии и теплопроводности». Реальных физических сил не нашлось для обоснования переноса результата опыта Рейнольдса на водные массы в реке.
В сущности, момент перехода от ламинарного движения к турбулентному в опыте Рейнольдса  осуществлялся тогда, когда величина энергии струи оказывалась достаточной, чтобы  весь водоток привести к скорости турбулентного режима. Турбулентным оказался весь расход воды в трубе, а не только струя.

Позднее экспериментаторы увеличили диаметр трубы. Оказалось, что окраска не охватывает весь водоток. Турбулентная смесь обособилась в отдельную струю. Она не распространилась далее некоторой поверхности. В водотоке образовалось две струи: смешанная  струя в центре и кольцевая (фоновая струя) на периферии. Причём размер смешанной струи уменьшился по мере дальнейшего движения в трубе.

Новые результаты следовало бы использовать для отмены принципа смешения, по крайней мере, по трём причинам: первая --- турбулентным оказался ограниченный пакет струй (в смешении участвуют неопределённые и ограниченные расходы воды); вторая --- обнаружена тенденция возврата к начальному сечению струи (обратная диффузия?); третья --- начальное динамическое состояние  водотока и струи в реке не соответствуют исходному состоянию струй в опытной установке. В опыте все компоненты в ламинарном режиме. Струя сточных вод, сбрасываемых в реку, турбулизована ещё в трубах, а принимающий водоток практически всегда турбулентный.  Повторная турбулизация турбулентных вод невозможна. Смешение принципиально не способно возникать  при таких начальных условиях.

   Можно предположить, что в опыте Рейнольдса произошёл процесс, подобный процессу кристаллизации: на основе энергии, добавляемой в струю экспериментатором, расположение молекул в объёме водотока стало  регулярным, возник некий текучий кристалл. Более жёсткие связи между молекулами кристалла привели к повышению вязкости воды. Это объясняет переход движения воды в квадратичную область сопротивления, объясняет устойчивость струй в реке на протяжении десятков километров и многие другие явления.

Критерий Рейнольдса --- это не признак турбулентности, это критерий перехода динамического состояния струи на квадратичный уровень сопротивления движению.

Смешение в реках не существует, так как невозможна  турбулентная диффузия вещества из турбулентной струи в турбулентную среду. Оно происходит там, где струя разрушается: в областях вихревого движения (шиверы, перекаты, быстротоки), зонах водоворотной воды и в местах с чрезвычайно сильным скачком скорости течения в принимающем водотоке.

Практически подобное положение применяется в теории отрывных струй. На рис. 1.17 показана струя, после отрыва которой от крыла (и только под ней) возникает зона смешения [27, c. 22].

Рис. 1.17. Вязкие эффекты при обтекании профиля (положительный угол атаки)

В аэродинамике и гидродинамике смешение обнаруживается на грани перехода от прямолинейного движения к криволинейному, вращательному. Источник возникающей энергии подобен источнику энергии торнадо, флаттера, омута, образования каверн на лопастях гребных винтов судов и насосных установок.
 Рассматриваемое явление в области вихревого движения предпочтительно называть перемешиванием, что точно соответствует физическому процессу.