Физики нашли способ управлять волной детонации в перспективном двигателе нового типа
Исследователи Сколтеха теоретически предсказали синхронизацию — своего рода саморегуляцию — в детонационных волнах. Открытие может помочь укротить этот изначально хаотичный процесс, чтобы стабилизировать сгорание во вращающемся детонационном двигателе. Это относится к экспериментальному устройству, потенциально способному экономить огромное количество топлива по сравнению с обычными ракетными и корабельными двигателями. Исследование опубликовано в Journal of Fluid Mechanics.
Схема трехмерного вращающегося детонационного двигателя, показывающая детонационную волну. Авторы и права: Д. Швер и др. др./49-я встреча AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум New Horizons и аэрокосмическую выставку
Детонация — это вид горения, при котором продукты реакции распространяются со сверхзвуковой скоростью, что теоретически позволяет лучше использовать топливо. Исследователи изучают концепцию детонационного двигателя в надежде в конечном итоге повысить эффективность на 25%.
«Во вращающемся детонационном двигателе один цилиндр помещается в другой, больший цилиндр, создавая пространство между ними для впрыска горючей смеси. Смесь непрерывно детонирует, а детонационная волна распространяется по кругу вокруг меньшего цилиндра из-за хаотичности процесса детонационная волна не будет вести себя идеально регулярно один цикл за другим. Сама скорость ее распространения склонна к непредсказуемым колебаниям, что делает двигатель неустойчивым», — главный исследователь исследования, сотрудник Сколтеха. Прокомментировал профессор Аслан Касымов.
Его команда нашла способ укротить детонационную волну, уравняв ее колебания. С этой целью исследователи представили первую теоретическую демонстрацию синхронизации в процессе детонации.
Что такое синхронизация?
Синхронизация была первоначально открыта как явление механики Гюйгенсом в 17 веке. Он наблюдал за парой маятниковых часов, подвешенных к одной и той же балке, и заметил, что со временем эта чрезвычайно тонкая связь между часами привела к тому, что их маятники качались либо в фазе, либо в противофазе. С тех пор синхронизация была обнаружена в самых разных областях химии, медицины, биологии и даже социологии.
«Например, есть некоторые светлячки, которые мигают с определенной частотой. Когда их собирается большое количество в одном месте, они начинают мигать синхронно, несмотря на слабую связь: каждый жук видит только своих ближайших соседей», — первый автор статьи, Сколтех к.т.н. — сказал студент Андрей Гольдин, прежде чем привести дополнительные примеры.
По словам исследователя, естественный биоритм человека может иметь периодичность, отличную от 24 часов, что видно из экспериментов с помещением испытуемых в искусственную среду без дня и ночи. Тот факт, что периодические внешние раздражители в виде суточной прогрессии от восхода солнца до полудня и заката регулируют внутренние ритмы человека и других животных в соответствии с 24-часовым циклом, также является случаем синхронизации.
Другим примером периодического внешнего раздражителя является кардиостимулятор , который в данном случае упорядочивает внутренние колебания сердца, преодолевая аритмию.
Кроме того, структура синхронизации применялась к Луне, постоянно обращенной к Земле одним и тем же полушарием, и даже к тому, как число жертв серийных убийц зависит от даты.
В своей новой работе ученые Сколтеха предлагают первую в истории демонстрацию синхронизации по отношению к детонационной волне.
Синхронизация при детонации
Природа детонационного процесса такова, что даже в совершенно однородной среде детонационная волна распространяется «урывками» — с переменной скоростью. Это означает, что сама волна представляет собой осциллятор, аналогичный сердцу с аритмией в приведенном выше примере. Аритмия в данном случае относится к непредсказуемому характеру колебания скорости волны. Напомним, что именно эта проблема делает детонационный двигатель неустойчивым.
Как оказалось, колебания детонационной волны можно упорядочить периодическим внешним воздействием, но это не будет стимулом в общепринятом смысле. Скорее, речь идет о высокорегулярных неоднородностях в среде. То есть в горючей смеси впрыскивается в пространство между цилиндрами двигателя. Эти неоднородности можно представить себе как узор из областей — часть заполнена топливом, часть воздухом — через равные промежутки», — сказал Касимов. «Изменяя конструкцию двигателя, например, интервалы между соседними топливными форсунками, вы можете варьировать характерный размер неоднородностей, с которыми сталкивается распространяющаяся волна детонации».
Исследователи Сколтеха обнаружили, что сложные внутренние колебания детонационной волны могут быть регуляризованы за счет синхронизации с «колебаниями» (периодическими неоднородностями) среды. Исследовав широкий диапазон возможных характерных размеров таких неоднородностей, группа обнаружила определенные диапазоны, в пределах которых колебания данной детонационной волны претерпевают регуляризацию. То есть волна по-прежнему распространяется урывками, но эти урывки становятся вполне предсказуемыми.
Из-за своей специфической формы на графике все такие диапазоны, способствующие регуляризации, в совокупности называются языками Арнольда, и статья в Journal of Fluid Mechanics является первой, в которой они описаны в отношении детонации.
Открытие синхронизации и языков Арнольда в детонационных волнах закладывает основу для дальнейших исследований конструкции двигателей, которые позволят инженерам укротить детонационную волну и контролировать скорость ее распространения. До сих пор исследователи выполняли расчеты в одном измерении, но трехмерные расчеты необходимы для понимания процессов в реальном двигателе.
