Вихревые энергетические технологии основаны на законах классической термодинамики и сохранения энергии. Первое направление разработки вихревой энергетики связано с копированием природного процесса имплозии (англ. implosion — взрыв, направленный вовнутрь; обжатие вещества сходящейся концентрической взрывной волной) и трансформацией тепловой энергии с низким потенциалом в кинетическую энергию.
Наиболее наглядным примером природной имплозии являются смерчи, торнадо. Наблюдая их в течение сотен лет, ученые убедились, что смерчи обладают огромной условно неуправляемой энергией, имеющей электрическую природу. Причем верхняя смерча часть заряжена положительно, нижняя — отрицательно. По сути, торнадо представляет собой огромный природный мотор-генератор. В торнадо диаметром более 800 м. сосредоточена энергия крупной атомной бомбы. Фактически процесс торнадо является строго управляемым, следовательно, имеется возможность использования энергии данного процесса.
На возможность использования этой энергии первым обратил внимание австрийский изобретатель Виктор Шаубергер, занимавшийся исследованием природных вихрей в первой половине ХХ в. и создавший прототипы искусственных торнадо. Свой дом он впервые отапливал роторно-вихревым теплогенератором.
Вихревые движения в течение многих лет являются объектом тщательного изучения вследствие их широкой распространенности в природе, многогранности свойств и проявлений, а также из-за тесной связи вихревых образований со многими сложными физическими явлениями.
Теоретическое описание вихревых течений связано с определенными физическими и математическими трудностями. Это обусловлено как нелинейностью и сложностью уравнений гидродинамики, так и отсутствием полного понимания и ясности в самих процессах переноса во вращающихся потоках.
Уже в начале ХХ века появились работы, посвященные исследованию теории вихревого движения и предложения по его промышленному применению. Много работ, анализирующих отдельные положения вихревого движения, было написано основоположником вихревой теории винта Н.Е. Жуковским.
В 1931 г. французский ученый Ж. Ранк, исследуя закрученные потоки воздуха в небольшой трубе, получил значительную разность температур между вытекающими из трубы приосевым и периферийным потоками. Это явление впоследствии было названо эффектом Ранка или вихревым эффектом.
В России первые исследования вихревого эффекта проводились В.С. Мартыновским, В.П. Алексеевым и М.Т Дубинским.
Но основной вклад в развитие основ теории вихревого эффекта и создание первых промышленных образцов различных вихревых установок внес “отец Российского вихря” – Александр Петрович Меркулов, профессор Самарского Аэрокосмического университета. Он впервые сформулировал гипотезу о физической природе вихревого эффекта, названную Гипотезой взаимодействия вихрей, и на ее базе разработал основы теории вихревого эффекта. Гипотеза взаимодействия вихрей наиболее полно отражает особенности энергетического разделения в вихре. Она объясняет многие эффекты, обнаруженные экспериментально, и является основой практически всех современных методов расчета характеристики вихревых устройств.
Устройство, в котором реализуется вихревой эффект, называется вихревой трубой (рис. 1).
Вихревая труба состоит из гладкой цилиндрической трубки (1), снабженной тангенциальным соплом (2), улиткой (3), диафрагмой (4) с осевым отверстием и дросселем (5). При втекании газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока.
Внешне простой вихревой эффект на самом деле заключает в себе сложный газодинамический процесс, происходящий в пространственном турбулентном потоке вязкого сжимаемого газа.
Отличительной особенностью вихревых аппаратов является их простота, отсутствие движущихся деталей, безинерционность, малый вес и надежность конструкции.
Кроме того, характерной особенностью вихревого эффекта является то, что энергия турбулентности используется в нем для осуществления работы охлаждения вынужденного вихря, так как за счет радиальной составляющей турбулентной пульсационной скорости элементарные турбулентные моли перемещаются по радиусу в поле высокого радиального градиента статического давления, адиабатно сжимаются и расширяются, передавая тепло от зоны низкого в зону высокого статического давления, осуществляя, таким образом, элементарные холодильные циклы.
Вихревой эффект является, пожалуй, единственным случаем, когда энергия турбулентности используется для совершения работы.
