Los investigadores de Skoltech han predicho teóricamente la sincronización, una especie de autorregulación, en las ondas de detonación. El descubrimiento podría ayudar a domar este proceso inherentemente caótico para estabilizar la combustión en un motor de detonación giratorio. Esto se refiere a un dispositivo experimental que potencialmente conserva grandes cantidades de combustible en comparación con los motores de cohetes y barcos convencionales. El estudio apareció en el Journal of Fluid Mechanics .

La detonación es un tipo de combustión que involucra productos de reacción que se propagan a velocidades supersónicas, lo que en teoría haría un mejor uso del combustible. Los investigadores están explorando el concepto del motor de detonación con la esperanza de lograr finalmente un aumento del 25 % en la eficiencia.

"En un motor de detonación giratorio, un cilindro encaja dentro de otro cilindro más grande, creando un espacio entre los dos para que se inyecte la mezcla combustible. La mezcla detona continuamente, con la onda de detonación viajando en círculos alrededor del cilindro más pequeño. Sin embargo, debido a la naturaleza caótica del proceso, la onda de detonación no se comportará de manera perfectamente regular un ciclo tras otro. La misma velocidad de su propagación es propensa a oscilaciones impredecibles, lo que hace que el motor sea inestable", dijo el investigador principal del estudio y asociado de Skoltech. Comentó el profesor Aslan Kasimov.

Su equipo ha descubierto una forma de domar la onda de detonación, igualando sus oscilaciones. Con ese fin, los investigadores entregan la primera demostración teórica de sincronización en un proceso de detonación.

¿Qué es la sincronización?

La sincronización fue descubierta originalmente como un fenómeno de la mecánica por Huygens en el siglo XVII. Estaba observando un par de relojes de péndulo que colgaban de la misma viga y notó que con el tiempo, esta conexión extremadamente sutil entre los relojes resultó en que sus péndulos oscilaran en fase o en antifase. Desde entonces, la sincronización se descubrió en una amplia gama de áreas de la química, la medicina, la biología e incluso la sociología.

"Por ejemplo, hay algunas luciérnagas que parpadean con cierta frecuencia. Cuando se juntan muchas en un solo lugar, comienzan a parpadear sincronizadas a pesar de tener una conexión débil:cada escarabajo solo puede ver a sus vecinos más cercanos", dijo el primero. autor del artículo, Skoltech Ph.D. estudiante Andrei Goldin, dijo antes de dar más ejemplos.

Según el investigador, el biorritmo natural de una persona puede tener una periodicidad diferente a las 24 horas, lo que se desprende de los experimentos que colocan sujetos de prueba en un ambiente artificial sin noche y día. El hecho de que los estímulos externos periódicos en la forma de la progresión diaria desde el amanecer hasta el atardecer regulen los ritmos internos de los humanos y otros animales para ajustarse al ciclo de 24 horas también es un caso de sincronización.

Un marcapasos cardíaco es otro ejemplo de estímulo externo periódico que, en este caso, regulariza las oscilaciones internas del corazón, superando la arritmia.

Más allá de eso, el marco de sincronización se ha aplicado a la luna que mira a la Tierra con el mismo hemisferio en todo momento e incluso a cómo varía el número de víctimas de asesinos en serie según la fecha.

En su nuevo artículo, los científicos de Skoltech ofrecen la primera demostración de sincronización con respecto a una onda de detonación.

Sincronización en detonación

La naturaleza del proceso de detonación es tal que incluso en un medio perfectamente homogéneo, una onda de detonación se propaga "a trompicones", con una velocidad variable. Esto significa que la onda en sí es un oscilador análogo al corazón con arritmia en el ejemplo anterior. La arritmia en este caso se refiere a la forma impredecible en que oscila la velocidad de la onda. Recordemos que este es precisamente el problema que hace que el motor de detonación sea inestable.

“Resulta que las oscilaciones de las ondas de detonación se pueden regularizar con un estímulo externo periódico, pero no será un estímulo en el sentido convencional. Más bien, se refiere a heterogeneidades altamente regulares en el medio. Es decir, en la mezcla combustible. inyectado en el espacio entre los cilindros del motor. Puede pensar en estas faltas de homogeneidad como un patrón de áreas, algunas llenas de combustible, otras con aire, a intervalos regulares ", dijo Kasimov. "Al variar el diseño del motor, como los intervalos entre los inyectores de combustible adyacentes, puede variar el tamaño característico de las faltas de homogeneidad encontradas por la onda de detonación que se propaga".

Los investigadores de Skoltech encontraron que las oscilaciones internas complejas de una onda de detonación pueden regularizarse en virtud de la sincronización con las "oscilaciones" (inhomogeneidades periódicas) del medio. Después de examinar una amplia gama de tamaños característicos potenciales de tales faltas de homogeneidad, el equipo descubrió ciertos rangos dentro de los cuales las oscilaciones de una onda de detonación dada se regularizan. Es decir, la onda aún se propaga a trompicones, pero estos trompicones se vuelven bastante predecibles.

Debido a su forma peculiar en el gráfico, todos esos rangos que promueven la regularización se conocen colectivamente como lenguas de Arnold, y el artículo en el Journal of Fluid Mechanics es el primero en describirlos con respecto a la detonación.

El descubrimiento de la sincronización y las lenguas de Arnold en las ondas de detonación sienta las bases para futuras investigaciones sobre diseños de motores que permitirían a los ingenieros domar la onda de detonación y controlar su velocidad de propagación. Hasta ahora, los investigadores han realizado los cálculos en una dimensión, pero los cálculos tridimensionales son necesarios para comprender los procesos en un motor real. + Explora más

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