Skoltech-onderzoekers hebben theoretisch synchronisatie - een soort zelfregulering - in detonatiegolven voorspeld. De ontdekking zou kunnen helpen dit inherent chaotische proces te temmen om de verbranding in een roterende detonatiemotor te stabiliseren. Dit verwijst naar een experimenteel apparaat dat mogelijk enorme hoeveelheden brandstof bespaart in vergelijking met conventionele raket- en scheepsmotoren. De studie verscheen in het Journal of Fluid Mechanics .

Detonatie is een soort verbranding waarbij reactieproducten zich met supersonische snelheden voortplanten, wat in theorie een beter gebruik van brandstof zou maken. Onderzoekers onderzoeken het concept van de detonatiemotor in de hoop uiteindelijk een efficiëntieverbetering van 25% te bereiken.

"In een roterende detonatiemotor past een cilinder in een andere, grotere cilinder, waardoor er een ruimte tussen de twee ontstaat waarin het brandbare mengsel kan worden geïnjecteerd. Het mengsel ontploft continu, waarbij de detonatiegolf in cirkels rond de kleinere cilinder gaat. vanwege de chaotische aard van het proces, zal de detonatiegolf zich niet perfect regelmatig gedragen, de ene cyclus na de andere. Alleen al de snelheid van zijn voortplanting is vatbaar voor onvoorspelbare oscillaties, waardoor de motor onstabiel wordt," de hoofdonderzoeker van het onderzoek en Skoltech Associate Professor Aslan Kasimov merkte op.

Zijn team heeft een manier ontdekt om de detonatiegolf te temmen en de oscillaties gelijk te maken. Daartoe leveren de onderzoekers de eerste theoretische demonstratie van synchronisatie in een detonatieproces.

Wat is synchronisatie?

Synchronisatie werd oorspronkelijk ontdekt als een fenomeen van de mechanica door Huygens in de 17e eeuw. Hij observeerde een paar slingerklokken die aan dezelfde balk hingen en merkte op dat deze uiterst subtiele verbinding tussen de klokken er in de loop van de tijd voor zorgde dat hun slingers in fase of in tegenfase zwaaiden. Sindsdien is synchronisatie ontdekt in een groot aantal gebieden van scheikunde, geneeskunde, biologie en zelfs sociologie.

"Er zijn bijvoorbeeld vuurvliegjes die met een bepaalde frequentie flitsen. Wanneer een groot aantal van hen zich op één plek verzamelt, beginnen ze synchroon te knipperen, ondanks dat ze slechts een zwakke verbinding hebben:elke kever kan alleen zijn naaste buren zien", de eerste auteur van het artikel, Skoltech Ph.D. student Andrei Goldin, zei voordat hij meer voorbeelden gaf.

Volgens de onderzoeker kan het natuurlijke bioritme van een persoon een andere periodiciteit hebben dan 24 uur, wat blijkt uit experimenten waarbij proefpersonen in een kunstmatige omgeving worden geplaatst zonder dag en nacht. Het feit dat periodieke externe prikkels in de vorm van het dagelijkse verloop van zonsopgang tot 's middags tot zonsondergang het interne ritme van mensen en andere dieren reguleren om zich aan te passen aan de 24-uurs cyclus, is ook een geval van synchronisatie.

Een pacemaker is een ander voorbeeld van een periodieke externe stimulus die, in dit geval, de interne oscillaties van het hart regulariseert en aritmie overwint.

Verder is het raamwerk van synchronisatie toegepast op de maan die altijd met hetzelfde halfrond naar de aarde is gericht en zelfs op hoe het aantal slachtoffers van seriemoordenaars per datum varieert.

In hun nieuwe paper bieden Skoltech-wetenschappers de allereerste demonstratie van synchronisatie met betrekking tot een detonatiegolf.

Synchronisatie in ontploffing

De aard van het detonatieproces is zodanig dat zelfs in een perfect homogeen medium een ​​detonatiegolf zich "met horten en stoten" voortplant - met een variabele snelheid. Dit betekent dat de golf zelf een oscillator is, analoog aan het hart met aritmie in het bovenstaande voorbeeld. Aritmie verwijst in dit geval naar de onvoorspelbare manier waarop de snelheid van de golf oscilleert. Bedenk dat dit precies het probleem is dat de detonatiemotor onstabiel maakt.

"Het blijkt dat detonatiegolfoscillaties kunnen worden gereguleerd met een periodieke externe stimulus, maar het zal geen stimulus zijn in de conventionele zin. Het verwijst eerder naar zeer regelmatige inhomogeniteiten in het medium. Dat wil zeggen, in het brandbare mengsel geïnjecteerd in de ruimte tussen de motorcilinders. Je kunt deze inhomogeniteiten zien als een patroon van gebieden - sommige gevuld met brandstof, andere met lucht - met regelmatige tussenpozen, "zei Kasimov. "Door het motorontwerp te variëren, zoals de intervallen tussen de aangrenzende brandstofinjectoren, kun je de karakteristieke grootte van de inhomogeniteiten die de zich voortplantende detonatiegolf tegenkomt variëren."

De Skoltech-onderzoekers ontdekten dat complexe interne oscillaties van een detonatiegolf kunnen worden gereguleerd dankzij synchronisatie met de "oscillaties" (periodieke inhomogeniteiten) van het medium. Na een breed scala aan potentiële karakteristieke afmetingen van dergelijke inhomogeniteiten te hebben onderzocht, ontdekte het team bepaalde bereiken waarbinnen de oscillaties van een bepaalde detonatiegolf regularisatie ondergaan. Dat wil zeggen dat de golf zich nog steeds met horten en stoten voortplant, maar deze horten en stoten worden behoorlijk voorspelbaar.

Vanwege hun eigenaardige vorm op de grafiek, worden al dergelijke bereiken die regularisatie bevorderen gezamenlijk de tongen van Arnold genoemd, en het artikel in het Journal of Fluid Mechanics is de eerste die ze beschrijft met betrekking tot detonatie.

De ontdekking van synchronisatie en de tongen van Arnold in detonatiegolven legt de basis voor verder onderzoek naar motorontwerpen waarmee ingenieurs de detonatiegolf kunnen temmen en de voortplantingssnelheid ervan kunnen beheersen. Tot nu toe hebben de onderzoekers de berekeningen in één dimensie gedaan, maar driedimensionale berekeningen zijn nodig om de processen in een echte motor te begrijpen. + Verder verkennen

Vliegen tot Mach 16 kan werkelijkheid worden met UCF's voortstuwingssysteem in ontwikkeling