Des physiciens trouvent un moyen de contrôler l’onde de détonation dans un nouveau type de moteur prometteur

Les chercheurs de Skoltech ont théoriquement prédit la synchronisation – une sorte d’autorégulation – dans les ondes de détonation. La découverte pourrait aider à apprivoiser ce processus intrinsèquement chaotique afin de stabiliser la combustion dans un moteur à détonation en rotation. Il s’agit d’un dispositif expérimental conservant potentiellement de grandes quantités de carburant par rapport aux moteurs de fusée et de navire conventionnels. L’étude est parue dans le Journal de mécanique des fluides.

La détonation est un type de combustion qui implique des produits de réaction se propageant à des vitesses supersoniques, ce qui en théorie permettrait une meilleure utilisation du carburant. Les chercheurs explorent le concept du moteur à détonation dans l’espoir d’atteindre à terme une augmentation de 25 % de l’efficacité.

“Dans un moteur à détonation rotatif, un cylindre s’insère dans un autre cylindre plus grand, créant un espace entre les deux dans lequel le mélange combustible doit être injecté. Le mélange explose en continu, l’onde de détonation se déplaçant en cercles autour du plus petit cylindre. Cependant, “En raison de la nature chaotique du processus, l’onde de détonation ne se comportera pas de manière parfaitement régulière d’un cycle à l’autre. La vitesse même de sa propagation est sujette à des oscillations imprévisibles, rendant le moteur instable”, a déclaré le chercheur principal de l’étude et associé de Skoltech. a commenté le professeur Aslan Kasimov.

Son équipe a découvert un moyen d’apprivoiser l’onde de détonation, en égalisant ses oscillations. Pour cela, les chercheurs livrent la première démonstration théorique de la synchronisation dans un processus de détonation.

Qu’est-ce que la synchronisation ?

La synchronisation a été découverte à l’origine comme un phénomène mécanique par Huygens au 17ème siècle. Il observait une paire d’horloges à pendule suspendues au même faisceau et a remarqué qu’au fil du temps, cette connexion extrêmement subtile entre les horloges entraînait le balancement de leurs pendules soit en phase, soit en opposition de phase. Depuis lors, la synchronisation a été découverte dans un large éventail de domaines de la chimie, de la médecine, de la biologie et même de la sociologie.

“Par exemple, il y a des lucioles qui clignotent avec une certaine fréquence. Lorsqu’un grand nombre d’entre elles se rassemblent au même endroit, elles commencent à clignoter de manière synchronisée malgré une connexion faible : chaque coléoptère ne peut voir que ses voisins les plus proches”, a déclaré le premier auteur de l’article, Skoltech Ph.D. étudiant Andrei Goldin, a déclaré avant de donner plus d’exemples.

Selon le chercheur, le biorythme naturel d’une personne pourrait avoir une périodicité différente de 24 heures, ce qui ressort clairement des expériences plaçant des sujets de test dans un environnement artificiel sans nuit ni jour. Le fait que des stimuli externes périodiques sous la forme de la progression quotidienne du lever du soleil à midi au coucher du soleil régulent les rythmes internes des humains et des autres animaux pour se conformer au cycle de 24 heures est également un cas de synchronisation.

UN pacemaker cardiaque est un autre exemple de stimulus externe périodique qui, dans ce cas, régularise les oscillations internes du cœur, surmontant l’arythmie.

Au-delà de cela, le cadre de synchronisation a été appliqué à la lune faisant face à la Terre avec le même hémisphère à tout moment et même à la façon dont le nombre de victimes de tueurs en série varie selon la date.

Dans leur nouvel article, les scientifiques de Skoltech proposent la toute première démonstration de synchronisation par rapport à une onde de détonation.

Synchronisation en détonation

La nature du processus de détonation est telle que même dans un milieu parfaitement homogène, une onde de détonation se propage “par à-coups” – avec une vitesse variable. Cela signifie que l’onde elle-même est un oscillateur analogue au cœur avec arythmie dans l’exemple ci-dessus. L’arythmie dans ce cas fait référence à la manière imprévisible dont la vitesse de l’onde oscille. Rappelons que c’est précisément le problème qui rend le moteur de détonation instable.

“Il s’avère que les oscillations des ondes de détonation peuvent être régularisées avec un stimulus externe périodique, mais ce ne sera pas un stimulus au sens conventionnel. Il s’agit plutôt d’inhomogénéités très régulières dans le milieu. C’est-à-dire dans le mélange combustible. injecté dans l’espace entre les cylindres du moteur. Vous pouvez considérer ces inhomogénéités comme un ensemble de zones – certaines remplies de carburant, d’autres d’air – à intervalles réguliers “, a déclaré Kasimov. “En faisant varier la conception du moteur, comme les intervalles entre les injecteurs de carburant adjacents, vous pouvez faire varier la taille caractéristique des inhomogénéités rencontrées par la propagation de l’onde de détonation.”

Les chercheurs de Skoltech ont découvert que les oscillations internes complexes d’une onde de détonation peuvent être régularisées grâce à la synchronisation avec les “oscillations” (inhomogénéités périodiques) du milieu. Après avoir examiné une large gamme de tailles caractéristiques potentielles de telles inhomogénéités, l’équipe a découvert certaines plages dans lesquelles les oscillations d’une onde de détonation donnée subissent une régularisation. Autrement dit, la vague se propage toujours par à-coups, mais ces à-coups deviennent tout à fait prévisibles.

En raison de leur forme particulière sur le graphique, toutes ces plages favorisant la régularisation sont collectivement appelées langues d’Arnold, et l’article du Journal de mécanique des fluides est le premier à les décrire en ce qui concerne la détonation.

La découverte de synchronisation et les langues d’Arnold dans les ondes de détonation jettent les bases d’une recherche plus approfondie sur les conceptions de moteurs qui permettraient aux ingénieurs d’apprivoiser le détonation onde et contrôler sa vitesse de propagation. Jusqu’à présent, les chercheurs ont effectué les calculs en une dimension, mais les calculs en trois dimensions sont nécessaires pour comprendre les processus dans un contexte réel. moteur.