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社會 用沙拉醬模擬核聚變,這種事只有物理學家

發布時間:2019-10-13 14:16來源: 未知
  
  源頭:科研圈
 
  超市里就能買到的沙拉醬是模擬核聚變重要歷程的好材料,就是不曉得他們怎樣申請報銷。
 
 
  在吃沙拉或漢堡包的時候,你有無留心過里面甜絲絲的雪白色醬汁?這類蛋黃醬是洋渾中“出圈”最獲勝的一種沙拉醬,它有著低調的香味與濃重的口感,切當給良多食物當配角。無非,一位流腦力學專家為蛋黃醬開辟了全新用途,那即是模擬核聚變歷程。
 
  美國理海大學(Lehigh University)機械工程與力學系副傳授、流膂力學研討者阿林達姆·班納吉(Arindam Banerjee)幾年前就發現,一種蛋黃醬在低溫下的性質和高溫低壓下的凝結金屬頗為不異,是研究核聚變的好原料,因而愉快地用它做了一系列仿照試驗。
 
  核聚變中的流腦力學困擾
 
  受控核聚變被視為未來的“終極能源”,良多人致力于研討如何讓它早日成為現實。核聚變的發生需要極高的溫度與壓力,讓原子核具備足夠的動能,抑制靜電排擠力“聚”在一同發生反饋。目前有兩種支流的門徑來創造何等的條件:一種是磁環流約束,用強磁場將等離子體約束在特定的空間中,例如甜甜圈一樣平常的托卡馬克裝置;另一種是慣性約束聚變,用粒子自己的慣性使它們聚在一塊兒。
 
  慣性約束聚變的“燃料”被喻為靶丸,它含有毫克級的氘和氚,大小在毫米量級。用激光暉映靶丸外貌時,靶丸火速向內被縮短,當到達臨界形狀時,將引發核聚變反饋。這個癥結環節被稱為爆聚。
 
靶丸爆聚歷程暗指圖,圖片根源:Wikipedia
  何等一個聽起來云云酷炫的反饋,卻被一個小小的流體物理學識題很有問題限定著——因為靶丸金屬外殼和氣體的交壤處具有瑞利-泰勒不穩定性(Rayleigh-Taylor instability,又稱 RT 不穩定),造成流體擾動,燃料容易在靶丸內還沒有壓縮至聚變條件時就提早爆炸。
 
  RT 不穩定在生存中十分常見。譬喻本年風行的“臟臟茶”里,奶茶與黑糖混合發生的斑紋等于 RT 不穩定的體現。假設你把杯子倒過來,讓密度大的糖漿在上面,密度小的奶茶鄙人面,還能看到一股股的糖漿順著杯壁往上流。具體而言,RT 不穩定發生在兩種差異密度的資料之間,在資料界面密度梯度與壓力梯度偏向相反的時候。“在重力或任何減速場的存不才,兩種原料會像‘手指’一樣相互滲入滲出,”班納吉說。
 
牛奶與冰咖啡同化發生發火的斑紋也是一樣的原理。圖片本源:Pixabay
  在更大的尺度上,大氣中冷暖氣氛的相遇,河流入海口水流交匯時的擾動,大氣電離層中由太陽輻射導致的環流與湍流,甚至超新星迸發進程中的一些情形,都是 RT 不穩定的體現。
 
黃河入海口的“黃龍入海”景觀。圖片來歷:黃河口生態觀賞區(http://www.hhkstlyq.com)
  容易來說,RT 不穩定意味著不平勻、不受控的漸變與擾動。何等一個無處不在的征象卻在受控核聚變進程中造成了毒品煩,讓受控核聚變成了“不受控”——這種事物理學家可不答應。
 
  給靶丸找個“替人”
 
  為了研討這個問題,物理學家們又碰著了新的問題。核聚變不只物理進程且則,還需要苛刻的反饋前提,這對執行室觀察造成了難題。能不能用簡單的方式摹擬核聚變,少花點經費,多做點試驗呢?
 
  早在幾年前,班納吉就發現了一個優秀的“替身”,那便是某品牌蛋黃醬(是的,他一直買匹敵款)。這種蛋黃醬含有 80% 的植物油、8% 的水和 2% 的其他尺度配料,它在高溫下的彈塑性和高溫下溶化的金屬頗為相斥。
 
  班納吉率領團隊,用低溫下的蛋黃醬模擬高溫下的靶丸金屬外殼,哄騙高速攝像和圖象處理算法,察看并總計了 RT 不穩定的相干參數。他們將冷藏的蛋黃醬倒進一個無機玻璃容器內,上方再扣一個異樣的空容器,讓蛋黃醬和氛圍構成密度梯度。這個容器將被靜止在加速離心旋轉輪上,蛋黃醬靠近轉心;當轉輪劈頭劈臉轉折時,蛋黃醬可能在向心力感導下與氣氛混合。
 
  下列圖:
 
  (a) 處于初始狀態的蛋黃醬;
 
  (b) 3D 擾動的初始界面,λ=60mm,ξi=4mm;
 
  (c) 2D 擾動的初始界面,λ=60mm,ξi=4妹妹;
 
  (d) 3D 擾動默示圖,λ=60mm,ξi=4妹妹;
 
  (e) 擾動的前視圖,圖中標注了初始波長 λ 和振幅 ξi。
 
圖片來自論文,DOI:10.1103/PhysRevE.99.053104
  一臺高速 CCD(500 幀/s)對準蛋黃醬與空氣界面處,紀錄將要發生的 RT 不穩定情形。履行歷程還需要峻厲管教光陰,以確保蛋黃醬始終堅持在彈性形變規模內,防備因“過勞”而發生塑性形變,侵擾實驗終究。
 
  讓蛋黃醬搖曳起來
 
  履行提議,蛋黃醬最先了它的飾演。班納特把持三軸數控機床切削導軌產生嚴格控制的粗略余弦振動波,并通報到蛋黃醬上造成初始擾動,同時讓滾輪動彈起來,考察擾動的成長與變換。通過進一步篡改波長與振幅組合,他們就能夠欠缺研究不合條件下蛋黃醬的“失穩閾值”。
 
  研究發現,蛋黃醬外觀擾動余弦波可用下面的公式發展描畫:
 
  x = ξicos(2π y/λ)
 
  ξi 代表振幅,而 λ 代表波長(即玻璃容器寬度)。
 
  下列圖,采納 MATLAB 對圖象進行處置懲罰和計算,
 
  (a) 初始圖象,λ=60 mm,ξi=4 妹妹,3D 界面;
 
  (b) 邊際提取與等高線(表現旋轉);
 
  (c) 擾動生長以前,蛋黃醬波峰位于焦點;
 
  (d) 擾動生長并接近極大(失穩),波峰偏離法線軸。
 
 
  如何穩住一坨蛋黃醬
 
  一系列二維與三維擾動實驗的后果均抒發,減小初始振幅與波長有助于構成更穩定的界面,讓失穩需要的臨界放慢度變大。其它,在等效初始條件下,三維擾動比二維擾動更無利于界面穩定。
 
  圖為三維擾動下蛋黃醬的失穩進程,波長為 60 mm,振幅從上到下分別為 6 mm、4 妹妹、2 妹妹 和 1 mm,t′ 單位為秒。
 
 
  圖為二維擾動下蛋黃醬的失穩歷程。波長為 60 妹妹,振幅從上到下分別為 6 妹妹、4 mm、2 妹妹 和 1 mm,t′ 單元為秒。
 
 
 
 
 
 
  對付 RT 不穩定的發生條件,學術界始終具有兩種差距的觀點:有人認為是界面初始條件決意了失穩的發生,也有人以為是一小部分激烈突變導致了失穩的發生。而班內特的鉆研贊成了第一種觀念,即失穩取決于搖動界面的初始條件,初始振幅和波長越小,失穩所需要的加速條件就越高。這篇論文宣告在往年 5 月的 Physical Review E 上。
 
  班納吉總結說,今朝 RT 不穩定性的鉆研對象首要限于流體,對于加快固體中不穩定性的演變歷程還所知甚少。放慢固體時間尺度短,丈量不必定度大,研究起來非常具有挑戰性。蛋黃醬研討為計較機仿照提供了有價值的數據,也讓他們能夠進一步拆分標題問題,比方如何改良外殼材料。
 
  思慮到 RT 不穩定在天然界中的寬泛存在,這些研討也許還能對大氣科學、天體物理等領域帶來疏浚溝通。籠統這便是物理學的誘人的地方——沙拉醬與奶茶,河道與星空,竟能被納入同樣的公式當中。
 
   
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