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用沙拉酱模拟核聚变,这种事只有物理学家做得出来_上海随缘食品经营许可证办理平台

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用沙拉酱模拟核聚变,这种事只有物理学家做得出来_上海随缘食品经营许可证办理平台

发布时间:2019-10-14 热度:

来源:科研圈,

超市里就能买到的沙拉酱是模拟核聚变重要过程的好材料,就是不知道他们怎么申请报销。

在吃沙拉或汉堡包的时候,你有没有留意过里面甜丝丝的白色酱汁?这种蛋黄酱是西餐中“出圈”最成功的一种沙拉酱 。它有着低调的香味和粘稠的口感!适合给许多食物当配角  ,一位流体力学专家为蛋黄酱开发了全新用途 。那就是模拟核聚变过程!

美国理海大学(Lehigh University)机械工程与力学系副教授、流体力学研究者阿林达姆·班纳吉(Arindam Banerjee)几年前就发现,一种蛋黄酱在低温下的性质和高温高压下的熔化金属非常相似。是研究核聚变的好材料 !于是愉快地用它做了一系列模拟实验,

受控核聚变被视为未来的“终极能源”,许多人致力于研究如何让它早日成为现实   。核聚变的发生需要极高的温度和压力   !让原子核具备足够的动能 ,克服静电排斥力“聚”在一起发生反应。目前有两种主流的方法来创造这样的条件:一种是磁环流约束!用强磁场将等离子体束缚在特定的空间中,例如甜甜圈一般的托卡马克装置;另一种是惯性约束聚变。用粒子本身的惯性使它们聚在一起!

惯性约束聚变的“燃料”被称为靶丸,它含有毫克级的氘和氚  。大小在毫米量级  !用激光照射靶丸表面时  ,靶丸迅速向内被压缩  。当达到临界状态时   !将诱发核聚变反应,这个关键环节被称为爆聚。

这样一个听起来如此酷炫的反应,却被一个小小的流体物理学问题严重制约着——由于靶丸金属外壳和气体的交界处存在瑞利-泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability   。又称 RT 不稳定) !造成流体扰动  ,燃料容易在靶丸内尚未压缩至聚变条件时就提前爆炸  。

RT 不稳定在生活中十分常见,比如今年流行的“脏脏茶”里  。奶茶和黑糖混合产生的花纹就是 RT 不稳定的体现  !如果你把杯子倒过来   ,让密度大的糖浆在上面。密度小的奶茶在下面 !还能看到一股股的糖浆顺着杯壁往下流 ,RT 不稳定发生在两种不同密度的材料之间 。在材料界面密度梯度与压力梯度方向相反的时候!“在重力或任何加速场的存在下,两种材料会像‘手指’一样互相渗透  。

在更大的尺度上  ,大气中冷暖空气的相遇  。河流入海口水流交汇时的扰动!大气电离层中由太阳辐射导致的环流和湍流,甚至超新星爆发过程中的一些现象  。都是 RT 不稳定的体现!

RT 不稳定意味着不均匀、不受控的突变和扰动  ,这样一个无处不在的现象却在受控核聚变过程中造成了大麻烦。让受控核聚变成了“不受控”——这种事物理学家可不答应 !

为了研究这个问题  ,物理学家们又遇到了新的问题。核聚变不仅物理过程短暂!还需要苛刻的反应条件 ,这对实验室观测造成了困难。能不能用简单的方式模拟核聚变 !多做点实验呢?,

班纳吉就发现了一个优秀的“替身” ,那就是某品牌蛋黄酱(是的。他一直买同一款)!这种蛋黄酱含有 80% 的植物油、8% 的水和 2% 的其他标准配料  ,它在低温下的弹塑性和高温下熔化的金属非常相似 。

 !

班纳吉带领团队,用低温下的蛋黄酱模拟高温下的靶丸金属外壳  。利用高速摄像和图像处理算法!观测并计算了 RT 不稳定的相关参数  ,他们将冷藏的蛋黄酱倒进一个有机玻璃容器内。上方再扣一个同样的空容器!让蛋黄酱和空气形成密度梯度  ,这个容器将被固定在加速离心旋转轮上。蛋黄酱靠近转心;当转轮开始转动时 !蛋黄酱会在离心力作用下与空气混合,

(a) 处于初始状态的蛋黄酱; ,

(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 扰动示意图,λ=60mm。ξi=4mm;用沙拉酱模拟核聚变  !这种事只有物理学家做得出来_上海随缘食品经营许可证办理平台,

(e) 扰动的前视图  ,图中标注了初始波长 λ 和振幅 ξi。

一台高速 CCD(500 帧/s)对准蛋黄酱与空气界面处,记录将要发生的 RT 不稳定现象。实验过程还需要严格控制时间   !以确保蛋黄酱始终保持在弹性形变范围内   ,避免因“过劳”而发生塑性形变。干扰实验结果!

蛋黄酱开始了它的表演   ,班纳特利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。并传递到蛋黄酱上形成初始扰动!同时让滚轮转动起来   ,观测扰动的生长和变化。通过进一步改变波长和振幅组合!他们就能充分研究不同条件下蛋黄酱的“失稳阈值” ,

蛋黄酱表面扰动余弦波可用下面的公式进行描述:,

ξi 代表振幅 ,而 λ 代表波长(即玻璃容器宽度) 。

  !

采用 MATLAB 对图像进行处理和计算 ,

(a) 初始图像,λ=60 mm。ξi=4 mm !3D 界面;,

(b) 边缘提取和等高线(表示旋转);,

(c) 扰动生长之前,蛋黄酱波峰位于中心;  。

(d) 扰动生长并接近极大(失稳),波峰偏离法线轴。

一系列二维和三维扰动实验的结果均表明 ,减小初始振幅和波长有助于形成更稳定的界面  。让失稳需要的临界加速度变大 !在等效初始条件下,三维扰动比二维扰动更有利于界面稳定 。

图为三维扰动下蛋黄酱的失稳过程 ,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 不稳定的发生条件   ,学术界一直存在两种不同的观点:有人认为是界面初始条件决定了失稳的发生。也有人认为是局部剧烈突变导致了失稳的发生!而班内特的研究支持了第一种观点,即失稳取决于波动界面的初始条件。初始振幅和波长越小  !失稳所需要的加速条件就越高,这篇论文发表在今年 5 月的 Physical Review E 上。

班纳吉总结说  ,当前 RT 不稳定性的研究对象主要限于流体  。对于加速固体中不稳定性的演化过程还所知甚少  !加速固体时间尺度短 ,测量不确定度大  。研究起来非常具有挑战性  !蛋黄酱研究为计算机模拟提供了有价值的数据,也让他们能够进一步拆分问题。比如如何改进外壳材料 !

考虑到 RT 不稳定在自然界中的广泛存在 ,这些研究也许还能对大气科学、天体物理等领域带来启发。或许这就是物理学的迷人之处——沙拉酱与奶茶!竟能被纳入同样的公式之中,


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