شاره‌ و دینامیک آن

هدف دینامیك شاره‌ها مطالعه شارش گازها و مایعات است. این علم پایه بسیاری از رشته‌های علوم، مثل اختر فیزیك، ژئوفیزیك، هوانوردی، احتراق، و فیزیك پلاسماست. معادلات حاكم بر حركت شاره، از پایستگی ماده، تكانه و انرژی خارج شده یا وارد شده در حجمی از فضا به دست می‌آیند. شكل این معادلات شناخته شده است، اما حل كردن آن‌ها به این سادگی‌ها نیست. استفاده از ابر كامپیوترها و روش‌های جدید در آشكار كردن تجربی شارش، توانایی ما را در درك و پیشگویی جریان‌های پیچیده شاره به نحو چشم‌گیری افزایش داده است. مقالات ارائه شده در زیر اهمیت كاربرد محاسبات عددی بزرگ مقیاس را در حل مسائل پیچیده دینامیك شاره‌ها نشان می‌دهد.
ساختار موج انفجار منتشر شونده
موج انفجار یك نوع موج ابر صوتی است كه در اثر آزاد شدن سریع انرژی در پشتش به جلو رانده می‌شود. این موج یك موج ضربه‌ای دارد كه یك ناحیه واكنش شیمیایی گرمازا و به دنبال آن ناحیه‌ای از مواد كاملاً واكنش دیده داغ را به دنبال خود می‌كشد. برهم‌كنش میان دینامیك شاره‌های ابر صوتی تراكم‌پذیر و آزاد شدن انرژی منجر به برهم كنش‌های ضربه‌ای پیچیده‌ای در جبهه انفجار می‌شود.
جبهه انفجار خود از موج‌های ضربه‌ای برهم‌كنش كننده تشكیل می‌شود. تجربه‌های آزمایشگاهی و صحرایی نشان داده است كه موج انفجاری منتشر شونده، نقش‌هایی لانه زنبوری در روی دیوارهای جانبی اتاقكی كه در آن منتشر می‌شود بر جای می‌گذراد. این نقش‌ها در انفجارهای منتشر در فضای آزاد نیز وجود دارد و از نقاط سه گانه‌ای تشكیل می‌شود كه از برهم‌كنش سه موج ضربه‌ای در جبهه انفجار به وجود می‌آیند. این نقاط سه گانه در داخل سیستم‌ها حركت می‌كنند و نقش لانه زنبوری را ترسیم می‌كنند.
لانه زنبورهای انفجاری ممكن است منظم و تكراری باشند، اما اغلب اوقات نامنظم‌اند، و گاهی تعدادی اندازه‌های مرجع دارند. اندازه و نظم ساختار لانه زنبورهای هر موج انفجار بستگی به ماده خاص رقت آن، و ماهیت محیط محدود كننده‌اش دارد. از درك این ساختار انفجاری و اینكه چگونه با شكل هندسی و ماده تغییر می‌كند اطلاعات مهمی درباره كاربرد و ایمنی مواد انفجاری به دست می‌آید.
با ابر كامپیوترهای سریع با حافظه كافی و الگوریتم‌های عددی دقیق برای شارش‌های تراكم‌پذیر وابسته به زمان، مطالعه عددی ساختارهای انفجاری امكان‌پذیر می‌شود. برای بررسی سازو كار اساسی تشكیل و انتشار لانه زنبورهای انفجاری، ساختار موج‌های ضربه‌ای برهم‌كنش كننده در جبهه موج انفجار و پشت آن، بی‌نظمی‌های ساختار موج انفجار، و برآورد ابعاد لانه زنبورهای انفجاری، از شبیه سازی‌های عددی استفاده شده است.
یك پدیده غیر منتظره و مهم كه در آزمایش‌ها و شبیه سازی‌ها پیدا شده است تشكیل بسته‌های ماده واكنش ندیده در پشت جبهه انفجار است. این پدیده ابتدا در آزمایش آشكار شد اما خود بسته‌ها بعد از مشاهده با شبیه سازی‌های عددی توضیح داده شد. شكل یك رشته عكس‌های فوری را نشان می‌دهد كه هنگام محاسبه یك موج انفجار منتشر شونده در مخلوطی از اكسیژن و هیدروژن رقیق شده با آرگون گرفته شده است. شكل‌های باایی گستره واكنش را نشان می‌دهند. موج انفجار به طرف راست به داخل مخلوط گاز واكنش ندیده منتشر می‌شود. گاز كاملاً واكنش دیده در سمت چپ است. سایه روشن‌های متعدد میان چپ و راست درجات مختلفی از واكنش دیدگی را نشان می‌دهند و روی‌هم جبهه موج انفجار را تشكیل می‌دهند. در عكس سوم، یك بسته جدا شده از گاز نسوخته را در پشت جبهه انفجار می‌بینیم. شكل‌های پایینی دمای گازها را در نواحی مختلف نشان می‌دهد. این شكل‌ها یك بسته سرد و واكنش ندیده را كه توسط موج‌های ضربه‌ای برهم‌كنش كننده جدا شده است نشان می‌دهند.
تشكیل بسته‌های واكنش ندیده را می‌توان مستقیماً تا انحنای موج‌های ضربه‌ای عرضی دنبال كرد. وقتی دو تای آن‌ها به هم، یا یكی از آن‌ها به دیواره‌ای برخورد كند، برهم‌كنش می‌تواند قسمتی از ماده سرد واكنش ندیده را جدا كند. اگر سوختن ماده در بسته‌ها به حد كافی باشد، این فرایند در واقع انرژی از انفجار خارج می‌كند و می‌تواند سازوكاری برای خاموش كردن انفجار فراهم كند. اگر بسته‌ها به تندی بسوزند، می‌توانند تپ‌های فشاری جدیدی ایجاد كنند كه سیستم را مختل كند و به تشكیل ساختارهای جدیدی در جبهه موج انفجار بیانجامد. این یك سازوكار ممكن برای ایجاد نقش‌های لانه زنبور نامنظمی است كه در بیشتر گازها و مایعات مشاهده شده است.
این یافته‌ها عجیب‌اند زیرا نشان می‌دهند چگونه ماده‌ای كه در آغاز همگن بوده است می‌تواند در اثر عبور موج‌های ضربه‌ای، نمایانگر یك ساختار فوق‌العاده ناهمگن باشد. به علاوه، مهم هم هستند زیرا وجود بسته‌های واكنش ندیده و ویژگی‌های آن‌ها می‌تواند تعیین كند كه آیا موج انفجار خواهد ماند یا از میان خواهد رفت.