Skoltech-forskare har teoretiskt förutspått synkronisering – ett slags självreglering – i detonationsvågor. Upptäckten kan hjälpa till att tämja denna i sig kaotiska process för att stabilisera förbränningen i en roterande detonationsmotor. Detta hänvisar till en experimentell anordning som potentiellt sparar stora mängder bränsle jämfört med konventionella raket- och fartygsmotorer. Studien publicerades i Journal of Fluid Mechanics .

Detonation är en sorts förbränning som innebär att reaktionsprodukter fortplantas med överljudshastigheter, vilket i teorin skulle utnyttja bränslet bättre. Forskare undersöker konceptet med detonationsmotorn i hopp om att i slutändan uppnå en 25% ökning av effektiviteten.

"I en roterande detonationsmotor passar en cylinder in i en annan, större cylinder, vilket skapar ett utrymme mellan de två för den brännbara blandningen att sprutas in i. Blandningen detonerar kontinuerligt, med detonationsvågen som rör sig i cirklar runt den mindre cylindern. på grund av processens kaotiska karaktär kommer detonationsvågen inte att bete sig på ett helt regelbundet sätt den ena cykeln efter den andra. Själva hastigheten för dess utbredning är benägen till oförutsägbara svängningar, vilket gör motorn instabil," studiens huvudutredare och Skoltech Associate Professor Aslan Kasimov kommenterade.

Hans team har upptäckt ett sätt att tämja detonationsvågen och utjämna dess svängningar. För det ändamålet levererar forskarna den första teoretiska demonstrationen av synkronisering i en detonationsprocess.

Vad är synkronisering?

Synkronisering upptäcktes ursprungligen som ett mekanikfenomen av Huygens på 1600-talet. Han observerade ett par pendelklockor som hängde från samma stråle och märkte att denna extremt subtila koppling mellan klockorna med tiden resulterade i att deras pendlar svängde antingen i fas eller i motfas. Sedan dess har synkronisering upptäckts inom ett brett spektrum av områden inom kemi, medicin, biologi och till och med sociologi.

"Till exempel finns det några eldflugor som blinkar med en viss frekvens. När ett stort antal av dem samlas på ett ställe börjar de blinka synkroniserat trots att de bara har en svag anslutning:Varje skalbagge kan bara se sina närmaste grannar", den första författare till tidningen, Skoltech Ph.D. student Andrei Goldin, sa innan han gav fler exempel.

Enligt forskaren kan en persons naturliga biorytm ha en periodicitet som skiljer sig från 24 timmar, vilket framgår av experiment som placerar försökspersoner i en konstgjord miljö utan natt och dag. Det faktum att periodiska yttre stimuli i form av den dagliga utvecklingen från soluppgång till middag till solnedgång reglerar människors och andra djurs inre rytmer för att överensstämma med 24-timmarscykeln är också ett fall av synkronisering.

En pacemaker är ett annat exempel på en periodisk extern stimulans som i detta fall reglerar hjärtats inre svängningar och övervinner arytmi.

Utöver det har ramverket för synkronisering tillämpats på månen som är vänd mot jorden med samma halvklot hela tiden och till och med på hur antalet offer för seriemördare varierar beroende på datum.

I sin nya uppsats erbjuder Skoltech-forskare den första demonstrationen någonsin av synkronisering med avseende på en detonationsvåg.

Synkronisering i detonation

Detonationsprocessens natur är sådan att även i ett perfekt homogent medium fortplantar sig en detonationsvåg "i anfall och start" - med variabel hastighet. Detta betyder att själva vågen är en oscillator analog med hjärtat med arytmi i exemplet ovan. Arytmi i detta fall hänvisar till det oförutsägbara sättet på vilket vågens hastighet svänger. Kom ihåg att det är just det problemet som gör detonationsmotorn instabil.

"Som det visar sig kan detonationsvågsvängningar regleras med en periodisk extern stimulans, men det kommer inte att vara en stimulans i konventionell mening. Det hänvisar snarare till mycket regelbundna inhomogeniteter i mediet. Det vill säga i den brännbara blandningen sprutas in i utrymmet mellan motorcylindrarna. Du kan tänka på dessa inhomogeniteter som ett mönster av områden - vissa fyllda med bränsle, andra med luft - med jämna mellanrum," sa Kasimov. "Genom att variera motorkonstruktionen, såsom intervallen mellan de intilliggande bränsleinsprutarna, kan du variera den karakteristiska storleken på de inhomogeniteter som den fortplantande detonationsvågen möter."

Skoltech-forskarna fann att komplexa interna svängningar av en detonationsvåg kan regleras genom synkronisering med mediets "oscillationer" (periodiska inhomogeniteter). Efter att ha undersökt ett brett spektrum av potentiella karakteristiska storlekar av sådana inhomogeniteter, upptäckte teamet vissa intervall inom vilka svängningarna av en given detonationsvåg genomgår regularisering. Det vill säga, vågen fortplantar sig fortfarande genom anfall och starter, men dessa anfall och starter blir ganska förutsägbara.

På grund av deras speciella form på grafen kallas alla sådana intervall som främjar regularisering tillsammans som Arnolds tungor, och artikeln i Journal of Fluid Mechanics är den första att beskriva dem med avseende på detonation.

Upptäckten av synkronisering och Arnolds tungor i detonationsvågor lägger grunden för ytterligare forskning om motorkonstruktioner som skulle göra det möjligt för ingenjörer att tämja detonationsvågen och kontrollera dess utbredningshastighet. Hittills har forskarna gjort beräkningarna i en dimension, men tredimensionella beräkningar är nödvändiga för att förstå processerna i en verklig motor. + Utforska vidare

Att flyga upp till 16 Mach kan bli verklighet med UCF:s framdrivningssystem under utveckling