用沙拉酱模仿核聚变,这类事只要物理学家做得出来

用沙拉酱模仿核聚变,这类事只要物理学家做得出来
2019年10月13日 09:40 新浪科技综合

  来源:科研圈

  超市里就可以买到的沙拉酱是模仿核聚变重要过程的好材料,就是不知道他们怎样请求报销。

  在吃沙拉或汉堡包的时辰,你有没有留心过外面甜丝丝的白色酱汁?这类蛋黄酱是中餐中“出圈”最成功的一种沙拉酱,它有着低调的喷鼻味和淡薄的口感,合适给很多食品当副角。不过,一名流体力学专家为蛋黄酱开辟了全新用处,那就是模仿核聚变过程。

  美国理海大年夜学(Lehigh University)机械工程与力学系副传授、流体力学研究者阿林达姆·班纳吉(Arindam Banerjee)几年前就发明,一种蛋黄酱在高温下的性质和高温高压下的熔化金属异常类似,是研究核聚变的好材料,因而高兴地用它做了一系列模仿实验。

  核聚变中的流体力学困扰

  受控核聚变被视为将来的“终究动力”,很多人努力于研究若何让它早日成为实际。核聚变的产生须要极高的温度和压力,让原子核具有足够的动能,克服静电排斥力“聚”在一路产生反响。今朝有两种主流的办法来创造如许的条件:一种是磁环流束缚,用强磁场将等离子体束缚在特定的空间中,例如甜甜圈普通的托卡马克装配;另外一种是惯性束缚聚变,用粒子本身的惯性使它们聚在一路。

  惯性束缚聚变的“燃料”被称为靶丸,它含有毫克级的氘和氚,大年夜小在毫米量级。用激光照射靶丸外面时,靶丸敏捷向内被紧缩,当达莅临界状况时,将引发核聚变反响。这个关键环节被称为爆聚

靶丸爆聚过程表示图,图片来源:Wikipedia靶丸爆聚过程表示图,图片来源:Wikipedia

  如许一个听起来如此酷炫的反响,却被一个小小的流体物理学成绩严重制约着——由于靶丸金属外壳和蔼体的交界处存在瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability,又称 RT 不稳定),形成流体扰动,燃料轻易在靶丸内还没有紧缩至聚变条件时就提早爆炸。

  RT 不稳定在生活中非常罕见。比如本年风行的“脏脏茶”里,奶茶和黑糖混淆产生的斑纹就是 RT 不稳定的表现。假设你把杯子倒过去,让密度大年夜的糖浆在下面,密度小的奶茶鄙人面,还能看到一股股的糖浆顺着杯壁往下贱。详细而言,RT 不稳定产生在两种不合密度的材料之间,在材料界面密度梯度与压力梯度偏向相反的时辰。“在重力或任何加快场的存鄙人,两种材料会像‘手指’一样相互渗透渗出,”班纳吉说。

牛奶和冰咖啡混淆产生的斑纹也是一样的道理。图片来源:Pixabay牛奶和冰咖啡混淆产生的斑纹也是一样的道理。图片来源:Pixabay

  在更大年夜的标准上,大年夜气中冷暖空气的相遇,河道入海口水流交汇时的扰动,大年夜气电离层中由太阳辐射招致的环流和湍流,乃至超新星迸发过程当中的一些景象,都是 RT 不稳定的表现。

 黄河入海口的“黄龙入海”景不雅。图片来源:黄河口生态旅游区(http://www.hhkstlyq.com) 黄河入海口的“黄龙入海”景不雅。图片来源:黄河口生态旅游区(http://www.hhkstlyq.com)

  简单来讲,RT 不稳定意味着不均匀、不受控的突变和扰动。如许一个无处不在的景象却在受控核聚变过程当中形成了大年夜费事,让受控核聚变成了“不受控”——这类事物理学家可不准予。

  给靶丸找个“替身”

  为了研究这个成绩,物理学家们又碰到了新的成绩。核聚变不只物理过程长久,还须要苛刻的反响条件,这对实验室不雅测形成了艰苦。能不克不及用简单的方法模仿核聚变,少花点经费,多做点实验呢?

  早在几年前,班纳吉就发清楚明了一个优良的“替身”,那就是某品牌蛋黄酱(是的,他一向买同一款)。这类蛋黄酱含有 80% 的植物油、8% 的水和 2% 的其他标准配料,它在高温下的弹塑性和高温下熔化的金属异常类似。

  班纳吉带领团队,用高温下的蛋黄酱模仿高温下的靶丸金属外壳,应用高速摄像和图象处理算法,不雅测并计算了 RT 不稳定的相干参数。他们将冷藏的蛋黄酱倒进一个无机玻璃容器内,上方再扣一个异样的空容器,让蛋黄酱和空气构成密度梯度。这个容器将被固定在加快离心改变轮上,蛋黄酱接近转心;当转轮开端迁移转变时,蛋黄酱会在向心力感化下与空气混淆。

  以下图:

  (a) 处于初始状况的蛋黄酱;

  (b) 3D 扰动的初始界面,λ=60mm,ξi=4mm;

  (c) 2D 扰动的初始界面,λ=60mm,ξi=4mm;

  (d) 3D 扰动表示图,λ=60mm,ξi=4mm;

  (e) 扰动的前视图,图中标注了初始波长 λ 和振幅 ξi。

图片来自论文,DOI:10.1103/PhysRevE.99.053104图片来自论文,DOI:10.1103/PhysRevE.99.053104

  一台高速 CCD(500 帧/s)对准蛋黄酱与空气界面处,记录将要产生的 RT 不稳定景象。实验过程还须要严格控制时间,以确保蛋黄酱一直保持在弹性形变范围内,防止因“过劳”而产生塑性形变,搅扰实验成果。

  让蛋黄酱摇摆起来

  实验启动,蛋黄酱开端了它的扮演。班纳特应用三轴数控机床切削导轨产生严格控制的精确余弦振动波,并传递到蛋黄酱上构成初始扰动,同时让滚轮迁移转变起来,不雅测扰动的发展和变更。经过过程进一步改变波长和振幅组合,他们就可以充分研究不合条件下蛋黄酱的“掉稳阈值”。

  研究发明,蛋黄酱外面扰动余弦波可用下面的公式停止描述:

  x = ξicos(2π y/λ)

  ξi 代表振幅,而 λ 代表波长(即玻璃容器宽度)。

  以下图,采取 MATLAB 对图象停止处理和计算,

  (a) 初始图象,λ=60 mm,ξi=4 mm,3D 界面;

  (b) 边沿提取和等高线(表示改变);

  (c) 扰动发展之前,蛋黄酱波峰位于中间;

  (d) 扰动发展并接近极大年夜(掉稳),波峰偏离法线轴。

  若何稳住一坨蛋黄酱

  一系列二维和三维扰动实验的成果均注解,减小初始振幅和波长有助于构成更稳定的界面,让掉稳须要的临界加快度变大年夜。另外,在等效初始条件下,三维扰动比二维扰动更有益于界面稳定。

  图为三维扰动下蛋黄酱的掉稳过程,波长为 60 mm,振幅从上到下分别为 6 mm、4 mm、2 mm 和 1 mm,t′ 单位为秒。

  图为二维扰动下蛋黄酱的掉稳过程。波长为 60 mm,振幅从上到下分别为 6 mm、4 mm、2 mm 和 1 mm,t′ 单位为秒。

  关于 RT 不稳定的产生条件,学术界一向存在两种不合的不雅点:有人认为是界面初始条件决定了掉稳的产生,也有人认为是部分激烈突变招致了掉稳的产生。而班内特的研究支撑了第一种不雅点,即掉稳取决于动摇界面的初始条件,初始振幅和波长越小,掉稳所须要的加快条件就越高。这篇论文发表在本年 5 月的 Physical Review E 上。

  班纳吉总结说,以后 RT 不稳定性的研究对象重要限于流体,关于加快固体中不稳定性的演变过程还所知甚少。加快固体时间标准短,丈量不肯定度大年夜,研究起来异常具有挑衅性。蛋黄酱研究为计算机模仿供给了有价值的数据,也让他们可以或许进一步拆分红绩,比如若何改进外壳材料。

  推敲到 RT 不稳定在天然界中的广泛存在,这些研究或许还能对大年夜气迷信、天体物理等范畴带来启发。或许这就是物理学的诱人的地方——沙拉酱与奶茶,河道与星空,竟能被归入异样的公式当中。

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