Se mayoen:Eksperimenter afslører ustabilitetstærskel for elastisk-plastmateriale

Arindam Banerjee, en lektor i maskinteknik og mekanik ved Lehigh University, studerer materialers dynamik i ekstreme miljøer. Han og hans team har bygget flere enheder til effektivt at undersøge dynamikken i væsker og andre materialer under påvirkning af høj acceleration og centrifugalkraft.

Et område af interesse er Rayleigh-Taylor ustabilitet, som opstår mellem materialer med forskellige densiteter, når tætheds- og trykgradienterne er i modsatte retninger, hvilket skaber en ustabil lagdeling.

"I nærvær af tyngdekraften - eller et hvilket som helst accelererende felt - trænger de to materialer ind i hinanden som 'fingre,' " siger Banerjee.

Ifølge Banerjee, forståelsen af ​​ustabiliteten er for det meste begrænset til væsker (væsker eller gasser). Ikke meget er kendt om udviklingen af ​​ustabiliteten i accelererede faste stoffer. De korte tidsskalaer og store måleusikkerheder for accelererede faste stoffer gør det meget udfordrende at undersøge denne form for materiale.

Det er lykkedes Banerjee og hans team at karakterisere grænsefladen mellem et elastisk-plastisk materiale og et let materiale under acceleration. De opdagede, at starten på ustabiliteten - eller "ustabilitetstærsklen" - var relateret til størrelsen af ​​den anvendte amplitude (forstyrrelse) og bølgelængde (afstanden mellem toppene af en bølge). Deres resultater viste, at for både todimensionelle og tredimensionelle forstyrrelser (eller bevægelser) frembragte et fald i initial amplitude og bølgelængde en mere stabil grænseflade, og derved øge den acceleration, der kræves for ustabilitet.

Disse resultater er beskrevet i et papir offentliggjort i dag i Fysisk gennemgang E kaldet "Rayleigh-Taylor-ustabilitetseksperimenter med elastisk-plastiske materialer." Ud over Banerjee, medforfattere inkluderer Rinosh Polavarapu (en nuværende ph.d.-studerende) og Pamela Roach (en tidligere M.S.-studerende) i Banerjees gruppe.

"Der har været en løbende debat i det videnskabelige samfund om hvorvidt ustabilitetsvækst er en funktion af de oprindelige betingelser eller en mere lokal katastrofal proces, " siger Banerjee. "Vores eksperimenter bekræfter den tidligere konklusion:at grænsefladevækst er stærkt afhængig af valget af startbetingelser, såsom amplitude og bølgelængde."

I forsøgene. Hellman's Real Mayonnaise blev hældt i en plexiglasbeholder. Forskellige bølgelignende forstyrrelser blev dannet på mayonnaisen, og prøven blev derefter accelereret på et roterende hjuleksperiment. Væksten af ​​materialet blev sporet ved hjælp af et højhastighedskamera (500 fps). En billedbehandlingsalgoritme, skrevet i Matlab, blev derefter anvendt til at beregne forskellige parametre forbundet med ustabiliteten. For effekten af ​​amplitude, startbetingelserne var varieret fra w/60 til w/10, mens bølgelængden blev varieret fra w/4 til w for at studere effekten af ​​bølgelængde ("w" repræsenterer størrelsen af ​​beholderens bredde). Eksperimentelle væksthastigheder for forskellige bølgelængde- og amplitudekombinationer blev derefter sammenlignet med eksisterende analytiske modeller for sådanne strømme.

Dette arbejde giver forskere mulighed for at visualisere både elastisk-plastik og ustabilitetsudviklingen af ​​materialet, samtidig med at det giver en nyttig database til udvikling, validering, og verifikation af modeller for sådanne strømme, siger Banerjee.

Han tilføjer, at den nye forståelse af "ustabilitetstærsklen" af elastisk-plastikmateriale under acceleration kunne være af værdi for at hjælpe med at løse udfordringer inden for geofysik, astrofysik, industrielle processer såsom eksplosiv svejsning, og fysikproblemer med høj energitæthed relateret til inertial indeslutningsfusion.

Forståelse af hydrodynamikken ved inertial indeslutning

Banerjee arbejder på en af ​​de mest lovende metoder til at opnå nuklear fusion kaldet inerti indespærring. I USA, de to store laboratorier for denne forskning er National Ignition Facility ved Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore, Californien - det største operationelle inerti indeslutning fusionseksperiment i USA - og Los Alamos National Laboratory i New Mexico. Banerjee arbejder med begge dele. Han og hans team forsøger at forstå den grundlæggende hydrodynamik i fusionsreaktionen, samt fysikken.

I inerti indeslutning eksperimenter, gassen (brintisotoper, ligesom i magnetisk fusion) er frosset inde i metalpellets på størrelse med ærter. Pellets placeres i et kammer og rammes derefter med kraftige lasere, der komprimerer gassen og varmer den op til et par millioner Kelvin - omkring 400 millioner grader Fahrenheit - hvilket skaber betingelserne for fusion.

Den massive overførsel af varme, som sker på nanosekunder, smelter metallet. Under massiv kompression, gassen indeni ønsker at bryde ud, forårsager et uvelkomment resultat:Kapslen eksploderer, før fusion kan nås. En måde at forstå denne dynamik på, forklarer Banerjee, er at forestille sig en ballon, der bliver klemt.

"Når ballonen komprimeres, luften indeni skubber mod materialet, der begrænser den, forsøger at flytte ud, " siger Banerjee. "På et tidspunkt, ballonen vil briste under tryk. Det samme sker i en fusionskapsel. Blandingen af ​​gassen og smeltet metal forårsager en eksplosion."

For at forhindre blanding, tilføjer Banerjee, du er nødt til at forstå, hvordan det smeltede metal og opvarmet gas blandes i første omgang.

At gøre dette, hans gruppe kører eksperimenter, der efterligner betingelserne for inerti indespærring, isolering af fysikken ved at fjerne temperaturgradienten og de nukleare reaktioner.

Banerjee og hans team har brugt mere end fire år på at bygge en enhed specifikt til disse eksperimenter. Huset på første sal i Lehigh's Packard Laboratory, eksperimentet er det eneste af sin art i verden, da det kan studere to-væskeblanding under forhold, der er relevante for dem i inerti indeslutningsfusion. State-of-the-art udstyr er også tilgængeligt til at diagnosticere flowet. Projekterne er finansieret af Energiministeriet, Los Alamos National Laboratory og National Science Foundation.

En af måderne, forskere som Banerjee efterligner det smeltede metal på, er ved at bruge mayonnaise. Materialets materialeegenskaber og dynamik ved høj temperatur minder meget om mayonnaise ved lav temperatur, han siger.

Holdets enhed genskaber den utrolige hastighed, hvormed gas og smeltet metal blandes. De indsamler data fra de eksperimenter, de kører, og indlæser dem derefter i en model, der udvikles på Los Alamos National Lab.

"De har taget et meget kompliceret problem og isoleret det i seks eller syv mindre problemer, " forklarer Banerjee. "Der er materialeforskere, der arbejder med visse aspekter af problemet; der er forskere som mig, der er fokuseret på væskemekanikken - alle leverer ind i forskellige modeller, som vil blive kombineret i fremtiden."