Fysikere finner måter å kontrollere detonasjonsbølger i lovende ny type motor

Skoltech-forskere har teoretisk spådd synkronisering – en slags selvregulering – i detonasjonsbølger. Oppdagelsen kan bidra til å temme denne iboende kaotiske prosessen for å stabilisere forbrenningen i en roterende detonasjonsmotor. Dette refererer til en eksperimentell enhet som potensielt sparer store mengder drivstoff sammenlignet med konvensjonelle rakett- og skipsmotorer. Studien kom ut i Journal of Fluid Mechanics.

Detonasjon er en slags forbrenning som involverer reaksjonsprodukter som forplanter seg med supersoniske hastigheter, som i teorien ville utnyttet drivstoffet bedre. Forskere utforsker konseptet med detonasjonsmotoren i håp om til slutt å oppnå en 25% økning i effektivitet.

“I en roterende detonasjonsmotor passer en sylinder inn i en annen, større sylinder, og skaper et rom mellom de to for den brennbare blandingen å sprøytes inn i. Blandingen detonerer kontinuerlig, med detonasjonsbølgen som beveger seg i sirkler rundt den mindre sylinderen. på grunn av prosessens kaotiske natur, vil ikke detonasjonsbølgen oppføre seg på en helt regelmessig måte den ene syklusen etter den andre. Selve hastigheten på dens utbredelse er utsatt for uforutsigbare svingninger, noe som gjør motoren ustabil, sier studiens hovedetterforsker og Skoltech Associate Professor Aslan Kasimov kommenterte.

Teamet hans har oppdaget en måte å temme detonasjonsbølgen på og utjevne svingningene. For det formål leverer forskerne den første teoretiske demonstrasjonen av synkronisering i en detonasjonsprosess.

Hva er synkronisering?

Synkronisering ble opprinnelig oppdaget som et mekanikkfenomen av Huygens på 1600-tallet. Han observerte et par pendelklokker som hang fra samme bjelke og la merke til at denne ekstremt subtile forbindelsen mellom klokkene over tid resulterte i at pendelene deres svingte enten i fase eller i motfase. Siden den gang ble synkronisering oppdaget i et bredt spekter av områder innen kjemi, medisin, biologi og til og med sosiologi.

“For eksempel er det noen ildfluer som blinker med en viss frekvens. Når et stort antall av dem samles på ett sted, begynner de å blinke synkronisert til tross for at de bare har en svak forbindelse: Hver bille kan bare se sine nærmeste naboer,” den første forfatter av artikkelen, Skoltech Ph.D. student Andrei Goldin, sa før han ga flere eksempler.

Ifølge forskeren kan den naturlige biorytmen til en person ha en periodisitet som er forskjellig fra 24 timer, noe som er tydelig fra eksperimenter med å plassere testpersoner i et kunstig miljø uten natt og dag. Det faktum at periodiske ytre stimuli i form av den daglige progresjonen fra soloppgang til middag til solnedgang regulerer de indre rytmene til mennesker og andre dyr for å samsvare med 24-timers syklusen, er også et tilfelle av synkronisering.

EN pacemaker er et annet eksempel på en periodisk ekstern stimulans som i dette tilfellet regulerer de indre svingningene i hjertet og overvinner arytmi.

Utover det har synkroniseringsrammeverket blitt brukt på månen som vender mot jorden med samme halvkule til enhver tid, og til og med på hvordan antallet seriemorderofre varierer etter dato.

I sin nye artikkel tilbyr Skoltech-forskere den aller første demonstrasjonen av synkronisering med hensyn til en detonasjonsbølge.

Synkronisering i detonasjon

Naturen til detonasjonsprosessen er slik at selv i et perfekt homogent medium forplanter en detonasjonsbølge seg “i anfall og starter” – med variabel hastighet. Dette betyr at selve bølgen er en oscillator analog med hjertet med arytmi i eksemplet ovenfor. Arytmi i dette tilfellet refererer til den uforutsigbare måten bølgens hastighet svinger. Husk at dette er nettopp problemet som gjør detonasjonsmotoren ustabil.

“Som det viser seg, kan detonasjonsbølgeoscillasjoner reguleres med en periodisk ekstern stimulus, men det vil ikke være en stimulus i konvensjonell forstand. Snarere refererer det til svært regelmessige inhomogeniteter i mediet. Det vil si i den brennbare blandingen injisert inn i rommet mellom motorsylindrene. Du kan tenke på disse inhomogenitetene som et mønster av områder – noen fylt med drivstoff, noen med luft – med jevne mellomrom,” sa Kasimov. “Ved å variere motordesign, for eksempel intervallene mellom de tilstøtende drivstoffinjektorene, kan du variere den karakteristiske størrelsen på inhomogenitetene som den forplantende detonasjonsbølgen møter.”

Skoltech-forskerne fant at komplekse interne oscillasjoner av en detonasjonsbølge kan reguleres i kraft av synkronisering med “oscillasjonene” (periodiske inhomogeniteter) til mediet. Etter å ha undersøkt et bredt spekter av potensielle karakteristiske størrelser av slike inhomogeniteter, oppdaget teamet visse områder innenfor hvilke oscillasjonene til en gitt detonasjonsbølge gjennomgår regularisering. Det vil si at bølgen fortsatt forplanter seg ved anfall og starter, men disse anfallene og startene blir ganske forutsigbare.

På grunn av deres særegne form på grafen, blir alle slike områder som fremmer regularisering samlet referert til som Arnolds tunger, og papiret i Journal of Fluid Mechanics er den første som beskriver dem med hensyn til detonasjon.

Oppdagelsen av synkronisering og Arnolds tunger i detonasjonsbølger legger grunnlaget for videre forskning på motordesign som vil gjøre det mulig for ingeniører å temme detonasjon bølge og kontrollere forplantningshastigheten. Så langt har forskerne gjort beregningene i én dimensjon, men tredimensjonale beregninger er nødvendige for å forstå prosessene i en faktisk motor.

---

---