Os pesquisadores da Skoltech previram teoricamente a sincronização – uma espécie de autorregulação – em ondas de detonação. A descoberta pode ajudar a domar esse processo inerentemente caótico, de modo a estabilizar a combustão em um motor de detonação rotativo. Isso se refere a um dispositivo experimental que potencialmente conserva grandes quantidades de combustível em comparação com motores convencionais de foguetes e navios. O estudo foi publicado no Journal of Fluid Mechanics .
A detonação é um tipo de combustão que envolve a propagação de produtos de reação em velocidades supersônicas, o que em teoria faria melhor uso do combustível. Os pesquisadores estão explorando o conceito do motor de detonação na esperança de alcançar um aumento de 25% na eficiência.

"Em um motor de detonação rotativo, um cilindro se encaixa dentro de outro cilindro maior, criando um espaço entre os dois para a mistura combustível ser injetada. A mistura detona continuamente, com a onda de detonação viajando em círculos ao redor do cilindro menor. No entanto, devido à natureza caótica do processo, a onda de detonação não se comportará de maneira perfeitamente regular um ciclo após o outro. A própria velocidade de sua propagação é propensa a oscilações imprevisíveis, tornando o motor instável", disse o pesquisador principal do estudo e associado da Skoltech O professor Aslan Kasimov comentou.

Sua equipe descobriu uma maneira de domar a onda de detonação, equalizando suas oscilações. Para isso, os pesquisadores entregam a primeira demonstração teórica de sincronização em um processo de detonação.

O que é sincronização?

A sincronização foi originalmente descoberta como um fenômeno da mecânica por Huygens no século XVII. Ele estava observando um par de relógios de pêndulo pendurados no mesmo feixe e notou que, com o tempo, essa conexão extremamente sutil entre os relógios resultou em seus pêndulos balançando em fase ou em antifase. Desde então, a sincronização foi descoberta em uma ampla gama de áreas da química, medicina, biologia e até sociologia.

"Por exemplo, existem alguns vaga-lumes que piscam com uma certa frequência. Quando um grande número deles se reúne em um lugar, eles começam a piscar em sincronia apesar de terem apenas uma conexão fraca:cada besouro só pode ver seus vizinhos mais próximos", o primeiro autor do artigo, Skoltech Ph.D. estudante Andrei Goldin, disse antes de dar mais exemplos.

Segundo o pesquisador, o biorritmo natural de uma pessoa pode ter periodicidade diferente de 24 horas, o que fica claro a partir de experimentos que colocam cobaias em um ambiente artificial sem noite e dia. O fato de estímulos externos periódicos na forma de progressão diária do nascer ao meio-dia ao pôr do sol regularem os ritmos internos de humanos e outros animais para se adequarem ao ciclo de 24 horas também é um caso de sincronização.

O marcapasso cardíaco é outro exemplo de estímulo externo periódico que, neste caso, regulariza as oscilações internas do coração, superando a arritmia.

Além disso, a estrutura de sincronização foi aplicada à lua voltada para a Terra com o mesmo hemisfério em todos os momentos e até como o número de vítimas de serial killers varia de acordo com a data.

Em seu novo artigo, os cientistas da Skoltech oferecem a primeira demonstração de sincronização em relação a uma onda de detonação.

Sincronização na detonação

A natureza do processo de detonação é tal que mesmo em um meio perfeitamente homogêneo, uma onda de detonação se propaga "aos trancos e barrancos" - com uma velocidade variável. Isso significa que a própria onda é um oscilador análogo ao coração com arritmia no exemplo acima. A arritmia, neste caso, refere-se à maneira imprevisível pela qual a velocidade da onda oscila. Lembre-se que este é precisamente o problema que torna o motor de detonação instável.

"Como se vê, as oscilações das ondas de detonação podem ser regularizadas com um estímulo externo periódico, mas não será um estímulo no sentido convencional. Ao contrário, refere-se a heterogeneidades altamente regulares no meio. Ou seja, na mistura combustível injetado no espaço entre os cilindros do motor. Você pode pensar nessas heterogeneidades como um padrão de áreas - algumas cheias de combustível, outras com ar - em intervalos regulares", disse Kasimov. “Ao variar o projeto do motor, como os intervalos entre os injetores de combustível adjacentes, você pode variar o tamanho característico das não homogeneidades encontradas pela onda de detonação em propagação”.

Os pesquisadores da Skoltech descobriram que oscilações internas complexas de uma onda de detonação podem ser regularizadas em virtude da sincronização com as "oscilações" (inomogeneidades periódicas) do meio. Tendo examinado uma ampla gama de potenciais tamanhos característicos de tais heterogeneidades, a equipe descobriu certos intervalos dentro dos quais as oscilações de uma determinada onda de detonação sofrem regularização. Ou seja, a onda ainda se propaga por trancos e barrancos, mas esses arrancos e arrancos tornam-se bastante previsíveis.

Devido à sua forma peculiar no gráfico, todas essas faixas que promovem a regularização são coletivamente chamadas de línguas de Arnold, e o artigo no Journal of Fluid Mechanics é o primeiro a descrevê-los em relação à detonação.

A descoberta da sincronização e das línguas de Arnold em ondas de detonação estabelece as bases para mais pesquisas em projetos de motores que permitiriam aos engenheiros domar a onda de detonação e controlar sua velocidade de propagação. Até agora os pesquisadores fizeram os cálculos em uma dimensão, mas cálculos tridimensionais são necessários para entender os processos em um motor real. + Explorar mais

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