Kigger ind i flammerne fra ioniske vinde

Nye 3D-visualiseringer, der afslører, hvordan flammer reagerer på elektriske felter, kan hjælpe med at forbedre forbrændingseffektiviteten og reducere forurening.

Evnen til præcist at kontrollere flammer kan føre til større energieffektivitet og færre skadelige emissioner fra transport og industri. Flammer indeholder ladede ioner og elektroner, som kan manipuleres ved hjælp af elektricitet. KAUST-forskere har nu produceret de første detaljerede 3D-visualiseringer af ioniske vinde, der strømmer fra en flamme som reaktion på både direkte (DC) og vekslende (AC) elektriske felter.

Minsuk Cha og kolleger har tidligere udviklet en teoretisk model, der forklarer, hvordan ioner i en flamme reagerer på elektriske felter. For deres seneste arbejde, forskerne udstødte en blanding af metan og luft gennem en jetflamme-dyse placeret mellem to elektroder. De oplyste flammen ved hjælp af en argon-ion-laser og detekterede det spredte lys for at spore individuelle partiklers bevægelse gennem flammen - en teknik kaldet partikelbilledhastighed eller PIV. For at forbedre denne visualisering, de skulle tilføre flammen reflekterende såpartikler fremstillet af titaniumoxid og olie.

"Partikelsåningen til den omgivende flamme var ret vanskelig, " siger Cha. "Vi brugte en røggenerator, men vi var nødt til at kontrollere timingen af ​​røggenereringen meget omhyggeligt, så vi ikke forstyrrede hovedstrømmen. Det var et tidskrævende skridt, der krævede en masse tålmodighed."

Forskerne erhvervede billeder, der afslører hidtil usete detaljer om, hvordan flammedynamikken reagerer på elektricitet. Når de brugte et DC-felt, flammen bøjede visuelt mod den negative elektrode, fordi positive ioner (som er langt flere end negative ioner i flammen) blev tiltrukket på den måde (se billede).

Kontraintuitivt, imidlertid, den ioniske vind blæste mod begge elektroder, indikerer en vigtig rolle for negative ioner. I et AC-felt, den ioniske vinddynamik afhang af den anvendte AC-frekvens, dog kun ved lave frekvenser. Disse ioniske vinde kunne påvirke forbrændingsprocessen ved at tillade en kontrolleret omfordeling af varme og forbrændingsprodukter ved konvektion.

Cha siger, at han håber, at dette arbejde kan have en meget positiv indvirkning på det fremtidige design af flammefrembringende maskiner. Mest vigtigt, det ville ikke kræve bygning af helt nyt industrielt udstyr, som Cha forklarer:

"Det smukke ved denne metode er, at den kan eftermonteres - den kan tilføjes som en aktiv kontrolmetode for ethvert eksisterende forbrændingssystem. Afhængigt af systemkonfigurationen og den type forbrænding, vi skal styre, vi kunne bruge vores viden og forståelse til at finde frem til de passende placeringer af elektroder og vælge de bedste driftsparametre, såsom spænding eller frekvens."