Den fantastiske verden af ​​flammebolde, donuts og hestesko

Flammebolde er blide og skrøbelige sfæriske flammer, der indtil for nylig kun kunne eksistere under forhold med næsten nul tyngdekraft. Forskere ved TU/e ​​har formået at observere flammebolde ved normale jordbundne forhold, og dermed, opdaget ny indsigt i arbejdet med magre brændstofblandinger. Magre brintblandinger menes at være fremtidens brændstof, da de ikke udleder CO ₂ og kun lave koncentrationer af nitrogenoxider. Deltag i vores forskere på deres spændende rejse for at forstå den gådefulde flammebold.

Man behøver ikke at være en forbrændingsforsker for at forstå det, når en brændstof-luft-blanding antændes, flammer begynder at udbrede sig. Ilt reagerer med brændstof i flammen, varme frigives og antænder blandingen ved siden af ​​flammen, og denne proces fortsætter. Dette sker i gaskomfuret i dit køkken, i en cylinder på din bilmotor, eller i en gasturbine i et kraftværk.

Men selv forbrændingsforskere bliver forvirrede, når de ser en flammebold for første gang. "En flammebold er en lille lysende sfærisk flamme, som bevarer samme størrelse og form i stort set ubegrænset tid, "forklarer Philip de Goey, leder af Combustion Technology -gruppen på TU/e. "Det ser ud som noget umuligt. Det udvider sig ikke, mens der er masser af frisk blanding rundt, og den slukker ikke, selvom der ikke er brændstof i den. "

Hemmeligheden ved flammebolden er, at det er en såkaldt diffusionsflamme. Dens forbrænding understøttes af en kontinuerlig tilførsel af ilt og brændstof, der diffunderer mod denne sfæriske flamme fra den omgivende blanding. Den frigivne varme afgives også til den omgivende blanding ved diffusion, og en brøkdel af den føres væk af stråling. På grund af dette varmetab er flammebolden ikke i stand til at antænde den nærliggende blanding og ekspandere. Dette gør den stabil.

Blid og skrøbelig

Forudsagt af Drozdov og Zeldovich i 1943, flammebolde blev længe betragtet som en teoretisk nysgerrighed, da ingen nogensinde observerede dem i næsten et halvt århundrede efter den forudsigelse. Årsagen er, at de fleste forbrændingslaboratorier er bygget på Jorden, og, dermed, ligesom alt på Jorden, er genstand for tyngdekraften.

I teorien, en brændbar blanding skal være ubevægelig for at en flammebold kan eksistere. Imidlertid, flammer ved jordens tyngdekraft har tendens til at generere opadgående konvektionsstrømme på grund af opdriftskræfter, der virker på det varme forbrændingsprodukt, som for eksempel i stearinlys. Selvom denne naturlige konvektion hjælper stearinlys med at brænde, en flammebold er for blid og for skrøbelig til at overleve den.

Det var først i 1990, da flammebolde først eksperimentelt blev opdaget af Paul Ronney, da tyngdekraftsfrie forbrændingsforsøg blev mulige. Sådanne eksperimenter blev udført inde i frit faldende kamre, faldt fra høje tårne, eller ombord på fly, der flyver i parabolske baner - en slags flyvende rutsjebane, hvor man også kan føle sig vægtløs, dog i kortere tid.

Når man eksperimenterer med såkaldte lean limit-blandinger, som indeholder meget små mængder brændstof og næsten ikke kan understøtte forbrænding, Paul Ronny observerede, at flere flammekugler af 5-10 mm størrelse blev dannet og brændt i en blanding af brint og luft.

Hvorfor betyder flammebolde noget

Kort efter opdagelsen, forskere erkendte den potentielle betydning af at studere flammebolde. Først, sådanne flammer har temperaturer meget lavere end dem, der findes i andre flammer. De er også ekstremt følsomme over for små ændringer i de forhold, de brænder under. Dette gør en flammebold til et glimrende objekt til validering af teoretiske forbrændingsmodeller. En sådan validering bliver særlig vigtig, da moderne forbrændingsteknologier bevæger sig mod blandinger med lave koncentrationer af brændstof. Disse såkaldte magre blandinger har en tendens til at generere køligere flammer, der producerer færre nitrogenoxider (NO _x ). Og flammebolde er de tyndeste flammer, der er mulige

Sekund, flammekugler kan eksistere i de tyndeste blandinger, der stadig kan brænde - hvis der er mindre brændstof i luften, ingen forbrænding er mulig. De ultimative grænser, hvor flammer kan eksistere, er vigtige for udviklingen af ​​sikkerhedsstandarder og for design af forbrændingsanordninger.

Endelig, at studere flammeboldsfænomener kan hjælpe os med bedre at forstå forbrændingsmekanismer for magre hydrogenblandinger. Brint er en af ​​de vigtigste foregivere for at blive et 'grønt' brændstof i fremtiden, og magert forbrænding betragtes som fremtiden for forbrændingsteknologierne.

At bringe flammeboldene til Jorden

Ikke underligt, at opdagelsen af ​​flammebolde udløste yderligere intensive teoretiske og eksperimentelle undersøgelser. Eksperimenter blev endda udført på den internationale rumstation, hvor betingelserne for 'mikro-tyngdekraft' er optimale og permanente. Omfattende målinger under sådanne forhold, imidlertid, er ikke mulige på grund af de meget høje omkostninger og de begrænsede muligheder for eksperimentel diagnostik.

Det ændrede sig, imidlertid, da flammebolde blev bragt til jorden af ​​TU/e ​​-forsker Yuriy Shoshin, arbejder inden for Philip de Goey's Combustion Technology -gruppe. Som det skete i tilfælde af flammebolde med mikro-tyngdekraft, Shoshin opdagede 'normale' tyngdekraftsflammebolde ved et uheld.

"Da vi fyldte et lodret glasrør med en blanding indeholdende brint og antændte fra bundenden, vi observerede næsten perfekte lysende kugler, der langsomt hævede sig til rørets øverste ende, "siger Shoshin. Det viste sig, at opdriftskræfter forårsaget af flammen skaber en lille hvirvel, hvor flammebolden befinder sig. Så i stedet for at ødelægge flammebolden, som det var tilfældet i tidligere forsøg, den tyngdekraftsinducerede konvektion under passende forhold er med til at bevare den.

Levende celler

Yderligere intensive eksperimentelle og numeriske undersøgelser førte til mange nye indsigter i arbejdet med magre brintflammer, siger Shoshin "Blandt andet fandt vi ud af, at når en brændstofblanding strømmer nedad gennem en porøs plade inde i et bredt rør, der dannes flere flammekugler, der overraskende opfører sig som levende celler, dramatisk 'kæmper for livet'. "

"Boldene konkurrerer om brændstof som mad, konstant skiftende retning hver gang nyt brændstof bliver tilgængeligt. Hvis en flammebold er heldig at finde et sted med masser af brændstof, det deler sig i to, ligesom en levende celle. Celler, der er omgivet af mere succesrige konkurrenter, er mindre heldige, og henfald. De kan ikke længere modstå den nedadgående gasstrøm ved selvinduceret opdrift. Disse uheldige bolde fjernes fra brændstofkilden ved gasstrøm og til sidst 'dør' af sult. "

Donuts og hestesko

Det faktum, at flammebolde findes i en hvirvel, gav anledning til ideen om, at flammer med lignende forbrændingsmekanismer muligvis kunne dannes under andre forhold, hvor hvirvler er til stede. "Og, Ja, i yderligere forsøg har vi fundet andre slags flammer, der brænder på en lignende måde, formet som donuts og hestesko. "

Sådanne flammer dannes omkring såkaldte hvirvelfilamenter, linjer omkring hvilke gas roterer. I praktiske anordninger, forbrænding forekommer næsten altid i turbulente blandinger, og det er kendt, at sådanne slags filamenter er til stede i turbulent gas. "Dette giver os håb om, at undersøgelse af sådanne flammer kan hjælpe med at forstå magre brint -turbulente flammer, "siger Shoshin.

Flammebolds forbrændingsmekanismer kan også være relevante for flammestabilisering. "Flammer skal være stabile for at kunne bruges i husholdningskedler eller gaskraftværker, og den mest almindelige måde at stabilisere flammer på er at skabe en hvirvel bag en eller anden forhindring placeret i en brændbar blandingsstrøm. "

Ud over teori

De Goey understreger vigtigheden af ​​at undersøge flammebolde ved ikke-mikrogravitationsforhold. "Mens flammebolde med nul tyngdekraft forbliver det mest grundlæggende og mest enkle eksempel på en flammebold, flammeboldene og deres pårørende undersøgt i vores gruppe kan eksistere under forskellige betingelser. Dette gør deres fysik meget mere interessant, og også meget mere relevant for andre områder inden for forbrændingsvidenskab. "

"Interessant nok, selvom vores undersøgelser i vid udstrækning var inspireret af mikro-tyngdekraftsforsøg af Paul Ronney, for nogle af medlemmerne af 'flammeboldfamilien' opdaget i vores laboratorier, tyngdekraftseffekterne viste sig slet ikke at være vigtige. "

Det næste trin i forskningen fra De Goey og hans team er at indarbejde flammeboldfænomenet i tidligere teorier om normale flammer. Imidlertid, deres interesse for den gådefulde flammebold går langt ud over ren videnskabelig nysgerrighed. "Til sidst, en fuld forståelse af, hvordan de fungerer, vil hjælpe os med at udvikle magert brændstof, der vil bane vejen for en bæredygtig energifremtid, " han siger.