​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.

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.

"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.

Похожие новости

  • 14/10/2017

    Российские ученые разработали компактный детектор фотонов

    ​Сотрудники Московского педагогического государственного университета создали компактную микросхему, которая детектирует одиночные фотоны - кванты света - и определяет состав света. Такие детекторы могут применяться в медицине и в системах безопасности.
    530
  • 04/08/2017

    Новосибирские ученые исследуют новые типы волоконных лазеров для линий связи

    Ученые НГУ, выигравшие грант Российского научного фонда (РНФ), намерены создать новый тип волоконных лазеров для высокоскоростных линий связи. Успешная реализация проекта позволит применить разработанные лазеры в качестве задающих источников информационного сигнала в телекоммуникационных системах на основе суперканалов.
    1142
  • 05/09/2017

    Терагерцовый лазер помог изучить нагревание кристаллов

    ​Ученые исследовали тепловые и световые искажения в кристалле при его взаимодействии с высокочастотным терагерцовым излучением. В результате было установлено, как в кристалле изменяется температура. Работа опубликована в журнале Laser Physics Letters.
    641
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    559
  • 16/01/2018

    Российские физики обнаружили у жидких кристаллов эффект памяти

    ​Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с российскими и зарубежными коллегами обнаружили эффект памяти в жидких кристаллах под действием сильных электрических полей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.
    870
  • 30/10/2018

    РНФ и МГУ запустили виртуальные туры по высокотехнологичным лабораториям

    5 новых лабораторий МГУ, созданных в рамках научного мегапроекта «Ноев ковчег», станут открыты для всех желающих 24/7 в формате виртуальных туров. Гидами по лабораториям выступят учёные Московского университета: они объяснят, как можно прочитать ДНК давно умерших животных, почему культуры клеток растений лучше растительного сырья, собранного в природе, зачем необходимо собирать и изучать биоматериал людей, а также как микроводоросли помогут энергетике и фармакологии.
    214
  • 15/12/2017

    Российские ученые исследовали взаимодействия одиночных импульсов

    ​Российские ученые изучили поведение одиночных импульсов волн - однократных возмущений, распространяющихся в пространстве или в среде, - при их столкновении в нелинейных средах. Результаты работы ученых из России и Швеции опубликованы в журнале Nonlinear Dynamics.
    767
  • 14/12/2018

    Российские физики раскрыли новый механизм образования железо-углеродных наночастиц

    ​Российские физики установили, как под действием высокой температуры и большого давления формируются покрытые углеродной оболочкой наночастицы из соединений железа с углеродом — карбидов. Эти данные помогут разработать методы синтеза нанокомпозитов с заданными свойствами для медицины, электроники и других областей.
    129
  • 04/12/2018

    Ученые заявили о новых случаях регистрации гравитационных волн из-за слияния черных дыр

    ​Научные коллаборации LIGO и Virgo объявили о четырех новых регистрациях гравитационных волн. Обсерватории также выпускают первый каталог событий, в которых были зарегистрированы гравитационные волны, сообщает пресс-служба МГУ.
    324
  • 31/07/2018

    Пирамида Хеопса может концентрировать радиоволны

    ​Пирамида Хеопса может концентрировать электромагнитную энергию во внутренних камерах и фокусировать ее в пространство под своим основанием. К такому выводу пришли ученые, воздействовавшие на пирамиду радиоволнами, чтобы исследовать ее резонансный электромагнитный отклик.
    536