• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20 сентября
Сколтех
11 246

Физики нашли способ упорядочить взрыв

4.8

Ученые Сколтеха впервые теоретически предсказали эффект синхронизации, своего рода самоупорядочивания, в детонационных волнах. Открытие может помочь обуздать по природе своей хаотичный процесс так, чтобы стабилизировать горение в двигателе с вращающейся детонацией — экспериментальном устройстве, которое могло бы сэкономить значительное количество топлива по сравнению с традиционными ракетными и корабельными двигателями.

Физики нашли способ упорядочить взрыв / ©Getty images

Исследование опубликовано в престижном журнале Journal of Fluid Mechanics и признано лучшей теоретической работой года на конференции в Институте химической физики РАН. Разработкой детонационных двигателей занимаются с целью получить экономию топлива за счет более эффективного режима его горения. При детонации продукты горения распространяются со сверхзвуковой скоростью, что в теории повышает эффективность на 25 процентов.

«В двигателе с вращающейся детонацией цилиндр поменьше расположен внутри цилиндра побольше, в полость между ними периодически впрыскивается горючая смесь, и ее горение происходит в режиме непрерывной детонации: волна круг за кругом огибает малый цилиндр.

Но из-за хаотичной природы процесса детонационная волна в общем случае не станет цикл за циклом столь предсказуемо и регулярно себя вести. В частности, скорость распространения волны может довольно сильно и непредсказуемо колебаться во времени, делая двигатель неустойчивым», — объясняет руководитель исследования, доцент Сколтеха Аслан Касимов. В Сколтехе нашли способ обуздать детонационную волну, упорядочив ее колебания. Для этого ученые впервые теоретически продемонстрировали эффект синхронизации в области детонации.

Впервые синхронизацию обнаружил Христиан Гюйгенс в XVII веке. Он наблюдал пару маятниковых часов, которые висят на одной балке и, как выяснилось, из-за этой едва уловимой связи со временем синхронизируют колебания маятников — они начинают двигаться или в фазе, или в противофазе. С тех пор синхронизацию обнаружили не только в механике, но и в самых разных областях химии, медицины, биологии и даже социологии.

«Например, некоторые светлячки мигают с определенной частотой. Когда в одном месте собирается много таких светлячков, то они начинают мигать синхронно за счет весьма слабой связи друг с другом: каждый жук может видеть только ближайших соседей», — рассказывает первый автор работы, аспирант Сколтеха Андрей Голдин, и приводит еще ряд примеров из разных областей.

Так, экспериментально показано, что естественный биоритм каждого человека может иметь периодичность, отличную от 24 часов — это видно, если поместить подопытного в искусственную среду без дня и ночи. Тот факт, что под действием периодического внешнего воздействия (восход, полдень, заход) внутренние ритмы людей и животных подстраиваются под 24-часовой цикл, — это тоже синхронизация.

Кардиостимулятор тоже является подобным периодическим внешним воздействием, которое упорядочивает внутренние колебания сердца — нейтрализует аритмию. С точки зрения синхронизации можно рассмотреть и поворот Луны к Земле всегда одной стороной, и даже зависимость количества жертв серийных убийц от даты. В своей новой работе ученые из Сколтеха впервые продемонстрировали явление синхронизации для детонационной волны.

Природа детонации такова, что детонационная волна даже в идеально однородной среде распространяется «рывками», то есть с переменной скоростью. Это значит, что сама волна является осциллятором, как сердце с аритмией в примере с кардиостимулятором. Причем именно с аритмией, потому что колебания этой волны носят довольно непредсказуемый характер — напомним, именно это мешает работе детонационного двигателя.

«Оказывается, колебания скорости детонационной волны можно упорядочить внешним периодическим воздействием, только это не воздействие в привычном понимании, а закономерные неоднородности среды. Волна распространяется в горючей смеси, которая в случае с двигателем впрыскивается струями в кольцевую полость между двумя цилиндрами.

Неоднородность среды в данном случае можно представить себе как череду областей, больше или меньше насыщенных топливом (полоса воздуха, полоса горючего и так далее), — объясняет Касимов. — Так вот, меняя дизайн двигателя, например расстояние между соседними инжекторами, можно менять характерный масштаб неоднородностей среды, с которыми сталкивается детонационная волна».

Как выяснили исследователи, сложные внутренние колебания детонационной волны способны упорядочиваться за счет синхронизации с «колебаниями» (периодической неоднородностью) среды. Если рассмотреть множество характерных масштабов неоднородности среды, то оказывается, что есть целые непрерывные диапазоны этих масштабов, в которых колебания известной детонационной волны регуляризуются, то есть она продолжает распространяться «рывками», но эти рывки становятся весьма предсказуемыми. Из-за особой формы графика совокупность таких диапазонов называют языками Арнольда — в области детонации они описаны впервые.

Открытие синхронизации и языков Арнольда в детонационных волнах закладывает основу для дальнейших исследований, которые в перспективе должны дать ответ на вопрос, какой дизайн двигателя позволит обуздать детонационную волну за счет контроля ее скорости. Пока ученые выполнили расчеты в одном измерении; в двигателе процесс происходит сразу в трех.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 13:45
Александр Березин

Половина всего расхода энергии человечеством приходится на тепло, почти 50% из этого количества уходит на отопление и нагрев воды в домах. На электричество — всего 19%. Из этого ясно, что вопрос отопления даже важнее электроэнергетики, а без отказа от ископаемых топлив здесь зеленый переход невозможен. Однако, как показывает новая научная работа, водород в этой роли — лишь несбыточная мечта.

Вчера, 14:59
Анна Новиковская

Все современные млекопитающие, от утконоса до синего кита и человека, произошли от общего предка, жившего около 180 миллионов лет назад, в юрский период. Об этом загадочном животном мы мало что знаем, но теперь ученые смогли компьютерно реконструировать его геном.

Вчера, 12:33
Алиса Гаджиева

На дне Ирландского моря лежат не менее 273 затонувших судов. С помощью гидролокатора ученые опознали среди них корабль, который более ста лет назад пытался спасти «непотопляемый» лайнер.

26 сентября
Анатолий Глянцев

Солнце несравнимо ближе к нам, чем любая другая звезда. До него всего восемь световых минут, тогда как до Проксимы Центавра — четыре с лишним световых года. Казалось бы, уж о Солнце-то мы должны знать все и даже больше. Однако не тут-то было. Naked Science рассказывает о загадках, которые все еще таит дневное светило.

Позавчера, 17:32
Александр Березин

Индустриальная эпоха сделала мобилизацию нормой, но что мы знаем о ней и ее роли в истории России? В чем реальные корни ее необходимости, а где границы? Бывали ли у нас частичные мобилизации раньше? Чем они заканчивались? И чего, наконец, стоит ждать от нее в наши дни и в нашей стране?

23 сентября
Алиса Гаджиева

Ученые обнаружили, что древняя медная промышленность Израильского царства была организована так, что в итоге в ее центре не осталось ни растений, ни самой промышленности.

16 сентября
Алиса Гаджиева

Геродот в своей «Истории» утверждал, что блоки для пирамиды Хеопса и соседних пирамид доставляли по воде. Но сегодня от Нила до пирамид слишком далеко. Исследование кернов, взятых в пойме реки, позволило понять, как именно решался сложнейший вопрос транспортировки такого строительного материала.

15 сентября
Никита Логинов

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем традиционные газоразрядные лампы, что должно сократить парниковые выбросы. Но при этом светодиодное освещение угрожает здоровью жителей и разрушает местные экосистемы в городах и селах.

3 сентября
Алиса Гаджиева

В «Кратких сообщениях Института археологии» опубликована статья Михаила Казанского и Анны Мастыковой, в которой авторы обобщили все известное из самых разных источников (от позднеантичных авторов до материалов археологических раскопок) о народе акациры. В результате они не только узнали, где те жили во время Великого переселения народов, но и предположили, как это племя нашло общий язык с соседями.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: