Fysikere finder måde at kontrollere detonationsbølgen i lovende ny type motor

Skoltech-forskere har teoretisk forudsagt synkronisering - en slags selvregulering - i detonationsbølger. Opdagelsen kan hjælpe med at tæmme denne iboende kaotiske proces for at stabilisere forbrændingen i en roterende detonationsmotor. Dette refererer til en eksperimentel enhed, der potentielt sparer store mængder brændstof sammenlignet med konventionelle raket- og skibsmotorer. Undersøgelsen udkom i Journal of Fluid Mechanics .

Detonation er en slags forbrænding, der involverer reaktionsprodukter, der forplanter sig ved supersoniske hastigheder, hvilket i teorien ville udnytte brændstof bedre. Forskere udforsker konceptet med detonationsmotoren i håbet om i sidste ende at opnå et 25% løft i effektivitet.

"I en roterende detonationsmotor passer en cylinder ind i en anden, større cylinder, hvilket skaber et mellemrum mellem de to, som den brændbare blanding kan sprøjtes ind i. Blandingen detonerer kontinuerligt, hvor detonationsbølgen bevæger sig i cirkler rundt om den mindre cylinder. på grund af processens kaotiske karakter vil detonationsbølgen ikke opføre sig på en helt regelmæssig måde den ene cyklus efter den anden. Selve hastigheden af ​​dens udbredelse er tilbøjelig til uforudsigelige svingninger, hvilket gør motoren ustabil," undersøgelsens hovedforsker og Skoltech Associate Professor Aslan Kasimov kommenterede.

Hans hold har opdaget en måde at tæmme detonationsbølgen på og udligne dens svingninger. Til det formål leverer forskerne den første teoretiske demonstration af synkronisering i en detonationsproces.

Hvad er synkronisering?

Synkronisering blev oprindeligt opdaget som et mekanikfænomen af ​​Huygens i det 17. århundrede. Han observerede et par pendulure hængende fra den samme bjælke og bemærkede, at denne ekstremt subtile forbindelse mellem urene med tiden resulterede i, at deres penduler svingede enten i fase eller i modfase. Siden da blev synkronisering opdaget inden for en bred vifte af områder inden for kemi, medicin, biologi og endda sociologi.

"For eksempel er der nogle ildfluer, der blinker med en bestemt frekvens. Når et stort antal af dem samles ét sted, begynder de at blinke synkroniseret på trods af, at de kun har en svag forbindelse:Hver bille kan kun se sine nærmeste naboer," den første forfatter til papiret, Skoltech Ph.D. studerende Andrei Goldin, sagde før han gav flere eksempler.

Ifølge forskeren kan en persons naturlige biorytme have en anden periodicitet end 24 timer, hvilket fremgår tydeligt af eksperimenter, der placerer testpersoner i et kunstigt miljø uden nat og dag. Det faktum, at periodiske ydre stimuli i form af den daglige progression fra solopgang til middag til solnedgang regulerer de indre rytmer hos mennesker og andre dyr, så de passer til 24-timers cyklussen, er også et tilfælde af synkronisering.

En pacemaker er et andet eksempel på en periodisk ekstern stimulus, der i dette tilfælde regulerer hjertets indre svingninger og overvinder arytmi.

Ud over det er synkroniseringsrammen blevet anvendt på månen, der vender mod Jorden med den samme halvkugle til enhver tid, og endda på hvordan antallet af seriemordere varierer efter dato.

I deres nye papir tilbyder Skoltech-forskere den første nogensinde demonstration af synkronisering med hensyn til en detonationsbølge.

Synkronisering i detonation

Naturen af ​​detonationsprocessen er sådan, at selv i et perfekt homogent medium forplanter en detonationsbølge sig "i anfald og starter" - med en variabel hastighed. Det betyder, at selve bølgen er en oscillator analog med hjertet med arytmi i ovenstående eksempel. Arytmi i dette tilfælde refererer til den uforudsigelige måde, hvorpå bølgens hastighed svinger. Husk, at det netop er det problem, der gør detonationsmotoren ustabil.

"Som det viser sig, kan detonationsbølgesvingninger reguleres med en periodisk ekstern stimulus, men det vil ikke være en stimulus i konventionel forstand. Det refererer snarere til meget regelmæssige inhomogeniteter i mediet. Det vil sige i den brændbare blanding. indsprøjtet i rummet mellem motorcylindrene. Du kan tænke på disse inhomogeniteter som et mønster af områder - nogle fyldt med brændstof, nogle med luft - med jævne mellemrum," sagde Kasimov. "Ved at variere motordesignet, såsom intervallerne mellem de tilstødende brændstofinjektorer, kan du variere den karakteristiske størrelse af de inhomogeniteter, som den udbredende detonationsbølge støder på."

Skoltech-forskerne fandt ud af, at komplekse interne svingninger af en detonationsbølge kan reguleres i kraft af synkronisering med mediets "oscillationer" (periodiske inhomogeniteter). Efter at have undersøgt en bred vifte af potentielle karakteristiske størrelser af sådanne inhomogeniteter, opdagede holdet visse områder, inden for hvilke svingningerne af en given detonationsbølge undergår regularisering. Det vil sige, at bølgen stadig forplanter sig ved anfald og starter, men disse anfald og starter bliver ret forudsigelige.

På grund af deres ejendommelige form på grafen omtales alle sådanne områder, der fremmer regularisering, samlet som Arnolds tunger, og artiklen i Journal of Fluid Mechanics er den første til at beskrive dem med hensyn til detonation.

Opdagelsen af ​​synkronisering og Arnolds tunger i detonationsbølger lægger grundlaget for yderligere forskning i motordesign, der ville gøre det muligt for ingeniører at tæmme detonationsbølgen og kontrollere dens udbredelseshastighed. Hidtil har forskerne lavet beregningerne i én dimension, men tredimensionelle beregninger er nødvendige for at forstå processerne i en egentlig motor. + Udforsk yderligere

At flyve med op til 16. Mach kan blive en realitet med UCF's udviklende fremdriftssystem