Schema del motore di detonazione rotante tridimensionale che mostra l'onda di detonazione. Credito:D. Schwer et. al./49° Meeting di scienze aerospaziali dell'AIAA, incluso il Forum sui nuovi orizzonti e l'Esposizione aerospaziale
I ricercatori Skoltech hanno teoricamente previsto la sincronizzazione, una sorta di autoregolazione, nelle onde di detonazione. La scoperta potrebbe aiutare a domare questo processo intrinsecamente caotico in modo da stabilizzare la combustione in un motore a detonazione rotante. Questo si riferisce a un dispositivo sperimentale che potenzialmente conserva grandi quantità di carburante rispetto ai tradizionali motori a razzo e navale. Lo studio è uscito nel Journal of Fluid Mechanics .
La detonazione è un tipo di combustione che coinvolge prodotti di reazione che si propagano a velocità supersoniche, che in teoria farebbero un uso migliore del carburante. I ricercatori stanno esplorando il concetto del motore di detonazione nella speranza di ottenere un aumento dell'efficienza del 25%.
"In un motore a detonazione rotante, un cilindro si inserisce in un altro cilindro più grande, creando uno spazio tra i due in cui iniettare la miscela combustibile. La miscela esplode continuamente, con l'onda di detonazione che viaggia in cerchio attorno al cilindro più piccolo. Tuttavia, a causa della natura caotica del processo, l'onda di detonazione non si comporterà in modo perfettamente regolare un ciclo dopo l'altro. La velocità stessa della sua propagazione è soggetta a oscillazioni imprevedibili, rendendo il motore instabile", ha affermato il ricercatore principale dello studio e Skoltech Associate. Il professor Aslan Kasimov ha commentato.
La sua squadra ha scoperto un modo per domare l'onda di detonazione, equalizzandone le oscillazioni. A tal fine, i ricercatori forniscono la prima dimostrazione teorica della sincronizzazione in un processo di detonazione.
Cos'è la sincronizzazione?
La sincronizzazione fu originariamente scoperta come fenomeno della meccanica da Huygens nel 17° secolo. Stava osservando una coppia di orologi a pendolo appesi allo stesso raggio e ha notato che nel tempo, questa connessione estremamente sottile tra gli orologi faceva oscillare i loro pendoli in fase o in antifase. Da allora, la sincronizzazione è stata scoperta in un'ampia gamma di aree della chimica, della medicina, della biologia e persino della sociologia.
"Ad esempio, ci sono alcune lucciole che lampeggiano con una certa frequenza. Quando un gran numero di loro si riunisce in un punto, iniziano a lampeggiare in sincronia nonostante abbiano solo una connessione debole:ogni scarabeo può vedere solo i suoi vicini più vicini", il primo autore dell'articolo, Skoltech Ph.D. lo studente Andrei Goldin, ha detto prima di fornire altri esempi.
Secondo il ricercatore, il bioritmo naturale di una persona potrebbe avere una periodicità diversa dalle 24 ore, il che è chiaro dagli esperimenti che collocano i soggetti del test in un ambiente artificiale senza notte e giorno. Anche il fatto che stimoli esterni periodici sotto forma di progressione giornaliera dall'alba a mezzogiorno al tramonto regolino i ritmi interni dell'uomo e di altri animali per conformarsi al ciclo di 24 ore è un caso di sincronizzazione.
Un pacemaker cardiaco è un altro esempio di stimolo esterno periodico che, in questo caso, regolarizza le oscillazioni interne del cuore, superando l'aritmia.
Oltre a ciò, la struttura della sincronizzazione è stata applicata alla luna rivolta verso la Terra con lo stesso emisfero in ogni momento e persino al modo in cui il numero di vittime di serial killer varia in base alla data.
Nel loro nuovo articolo, gli scienziati Skoltech offrono la prima dimostrazione in assoluto della sincronizzazione rispetto a un'onda di detonazione.
Sincronizzazione nella detonazione
La natura del processo di detonazione è tale che anche in un mezzo perfettamente omogeneo, un'onda di detonazione si propaga "a singhiozzo", con una velocità variabile. Ciò significa che l'onda stessa è un oscillatore analogo al cuore con aritmia nell'esempio sopra. L'aritmia in questo caso si riferisce al modo imprevedibile in cui la velocità dell'onda oscilla. Ricordiamo che è proprio questo il problema che rende instabile il motore di detonazione.
"A quanto pare, le oscillazioni dell'onda di detonazione possono essere regolarizzate con uno stimolo esterno periodico, ma non sarà uno stimolo in senso convenzionale. Piuttosto, si riferisce a disomogeneità altamente regolari nel mezzo, cioè nella miscela combustibile iniettato nello spazio tra i cilindri del motore. Puoi pensare a queste disomogeneità come a uno schema di aree, alcune piene di carburante, altre di aria, a intervalli regolari", ha detto Kasimov. "Variando il design del motore, come gli intervalli tra gli iniettori di carburante adiacenti, è possibile variare la dimensione caratteristica delle disomogeneità incontrate dall'onda di detonazione che si propaga".
I ricercatori Skoltech hanno scoperto che complesse oscillazioni interne di un'onda di detonazione possono essere regolarizzate in virtù della sincronizzazione con le "oscillazioni" (disomogeneità periodiche) del mezzo. Dopo aver esaminato un'ampia gamma di potenziali dimensioni caratteristiche di tali disomogeneità, il team ha scoperto alcuni intervalli entro i quali le oscillazioni di una data onda di detonazione subiscono la regolarizzazione. Cioè, l'onda si propaga ancora a singhiozzo, ma questi singhiozzi diventano abbastanza prevedibili.
A causa della loro forma particolare sul grafico, tutti questi intervalli che promuovono la regolarizzazione sono indicati collettivamente come le lingue di Arnold e l'articolo nel Journal of Fluid Mechanics è il primo a descriverli per quanto riguarda la detonazione.
La scoperta della sincronizzazione e delle lingue di Arnold nelle onde di detonazione getta le basi per ulteriori ricerche sui progetti di motori che consentirebbero agli ingegneri di domare l'onda di detonazione e controllarne la velocità di propagazione. Finora i ricercatori hanno eseguito i calcoli in una dimensione, ma i calcoli tridimensionali sono necessari per comprendere i processi in un motore reale. + Esplora ulteriormente
