Физики увидели «песни» пламени на уровне отдельных частиц

Ученые впервые исследовали термоакустическую неустойчивость, из-за которой в жидкой комплексной плазме возникает звук — своеобразная «песня» пламени. Результаты показывают, что 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 описал британский физик Джон Уильям Рэлей (Рэйли) 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. Физики из МГТУ имени Н.Э. Баумана, Объединенного института высоких температур РАН и Университета Экс-Марсель (Франция) 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, и чем выше температура, тем лучше нагревается система. Этот процесс приводит к неравновесному плавлению, которое физически аналогично 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.

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 может быть интересно ученым из разных областей.