Ученые нашли способ управления детонационной волной для создания двигателя
Эффект синхронизации — самоупорядочивания в детонационных волнах впервые теоретически предсказали ученые Сколковского института науки и технологий, 21 сентября сообщает пресс-служба Сколтеха.
Открытие дает подход к управлению детонационной волной для создания перспективного нового типа двигателя. Оно поможет стабилизировать горение в двигателе с вращающейся детонацией, такое устройство могло бы сэкономить значительное количество топлива, которое сейчас расходуется в традиционных ракетных и корабельных двигателях.
Исследование представлено в статье «Синхронизация детонаций: языки Арнольда и чертовы лестницы», опубликованной в Journal of Fluid Mechanics. На конференции в Институте химической физики РАН оно было признано лучшей теоретической работой года.
В детонационных двигателях продукты горения при их детонации распространяются со сверхзвуковой скоростью, что, по расчетам, повышает КПД на 25%.
Руководитель исследования и автор статьи доцент Аслан Касимов пояснил: «В двигателе с вращающейся детонацией цилиндр поменьше расположен внутри цилиндра побольше, в полость между ними периодически впрыскивается горючая смесь, и её горение происходит в режиме непрерывной детонации: волна круг за кругом огибает малый цилиндр».
Хаотичность процесса детонации приводит к тому, что волна от цикла к циклу может непредсказуемо менять свои характеристики. Так, скорость распространения волны может довольно сильно колебаться во времени, что делает двигатель неустойчивым, поясняет Касимов.
Ученые Сколтеха нашли способ упорядочить колебания детонационной волны и впервые теоретически продемонстрировали эффект синхронизации при детонации.
Синхронизация колебаний впервые была обнаружена в XVII веке голландским ученым Гюйгенсом. Он наблюдал как пара маятниковых часов, висящих на одной балке, со временем синхронизируют свои колебания — они начинают двигаться или в фазе, или в противофазе.
Первый автор работы, аспирант Сколтеха Андрей Голдин привел ряд примеров синхронизации из разных областей: «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».
Также, например, естественный биоритм каждого человека может иметь периодичность, не равную 24 часам, что было экспериментально показано, когда испытуемого помещали в искусственную среду без смены дня и ночи.
Однако в жизни под действием периодического внешнего воздействия смены дня и ночи внутренние ритмы людей и животных подстраиваются под 24-часовой цикл, — что тоже является синхронизацией.
На этом же принципе работает кардиостимулятор, который выполняет подобное периодическое внешнее воздействие, упорядочивая внутренние колебания сердца и снимая аритмию.
Касимов поясняет: «Оказывается, колебания скорости детонационной волны можно упорядочить внешним периодическим воздействием, только это не воздействие в привычном понимании, а закономерные неоднородности среды».
Распространение волны происходит в горючей смеси, которая впрыскивается струями в кольцевую полость между двумя цилиндрами. Неоднородность этой среды представляет собой череду областей в разной мере насыщенных топливом (полоса воздуха, полоса горючего и т. д.)
Изменяя параметры конструкции двигателя, например, расстояние между соседними инжекторами, можно менять картину неоднородностей среды, которые влияют на стабильность детонационной волны.
Исследователи установили, что сложные внутренние колебания детонационной волны могут упорядочиваться за счет синхронизации с «колебаниями» неоднородности среды, которую ученые Сколтеха математически описали, то есть сделали «рывки» детонационной волны предсказуемыми.
Открытие возможности синхронизации детонационных волн дает основу для дальнейших исследований, которые в последствии приведут к ответу, какой дизайн двигателя позволит контролировать скорость детонационной волны и сглаживать ее рывки. В настоящее время расчеты выполнены для одной оси измерения, тогда как в двигателе параметры волны изменяются по трем измерениям.
