Физики из МГТУ имени Н.Э. Баумана совместно с российскими и зарубежными коллегами впервые исследовали термоакустическую неустойчивость, приводящую к генерации звука в жидкой комплексной плазме. Результаты показывают, что это новая неустойчивость в комплексной плазме, и аналогичные неустойчивости могут существовать во многих открытых и химически реактивных системах. Термоакустическая неустойчивость может играть важную роль в процессе горения топлива, но на уровне отдельных частиц ранее она не изучалась. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters, кратко о них рассказывается в пресс-релизе РНФ.
Явление термоакустической неустойчивости было описано британским физиком Рэлеем в 1878 году на примере газов: если нагревать газ одновременно с его сжатием и охлаждать с разрежением, это стимулирует усиление звука. Звуковые колебания, влияя на процесс горения, могут сделать его нестабильным. Российские физики совместно с коллегой из Франции впервые теоретически и экспериментально исследовали термоакустическую неустойчивость в жидкой комплексной (пылевой) плазме. Такая система состоит из слабо ионизированного газа (плазмы) и твердых микрочастиц, размеры которых позволяют изучать процессы на уровне отдельных частиц. Выстраиваясь в пространстве определенным образом, микрочастицы образуют плазменные кристаллы.
Система микрочастиц может разогреваться за счет энергии потока плазмы. Это активационный процесс: чем выше температура, тем лучше нагревается система. Он приводит к неравновесному плавлению, физически аналогичному горению кристаллов (это доказывают результаты более ранних исследований). Распространение фронта пламени, который разделяет исходный кристалл и расплавленную область, сопровождается генерацией звука. Термоакустическая неустойчивость ранее никогда не анализировалась и не изучалась в такой среде, потому что наблюдаемые акустические пульсации считались паразитным эффектом, однако ученые установили, что процессы, протекающие в комплексной плазме, физически аналогичны тем, что протекают при горении в реактивных средах.
Генерация звука из жидкой комплексной плазмы. Источник: Станислав Юрченко
«Можно сказать, что нам стало интересно узнать, о чем поет пламя, и увидеть эти "песни" на уровне отдельных частиц», – поясняет руководитель исследования, ведущий научный сотрудник МГТУ имени Н.Э. Баумана Станислав Юрченко.
Термоакустическая неустойчивость может обеспечить эффективный переход химической энергии в энергию акустических колебаний, а ее можно использовать в двигателях и технологиях сжигания. Поскольку термоакустическая неустойчивость может вызвать пульсации на фронтах горения, это может привести к их ускорению и изменению режима горения в реактивных средах.
Система микрочастиц в плазме может черпать энергию из энергии потока и разогреваться благодаря тому, что эффективные силы действия и противодействия между микрочастицами в потоках плазмы не равны между собой. Такие системы с невзаимными взаимодействиями демонстрируют активационную динамику (как в случае с нагреванием системы микрочастиц в плазме) и существенно отличаются от консервативных систем, где полная энергия сохраняется. Результаты ученых показывают, что аналогичная неустойчивость потенциально может существовать во всех системах с невзаимными взаимодействиями, поэтому ее исследование представляет междисциплинарный интерес.
«Системы с невзаимными взаимодействиями не редкость. Здесь можно привести в пример неравновесные коллоидные суспензии с химическими превращениями частиц, взаимодействия в потоках жидкости, колонии бактерий, стаи птиц, рыб, насекомых, толпы людей и даже мультиагентные робототехнические системы», – рассказал Станислав Юрченко.
В работе также принимали участие физики из Университета Экс-Марсель (Франция) и Объединенного института высоких температур РАН.