Физики нашли способ упорядочить взрыв
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые раскрыли причины удивительной сохранности крупнейшей из пирамид Гизы. Секрет того, что за прошедшие тысячелетия пирамиду не разрушили землетрясения, кроется в особенностях ее конструкции, в том числе в так называемых разгрузочных камерах, расположенных непосредственно над погребальной камерой фараона.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно