Nya 3D-visualiseringar som avslöjar hur lågor reagerar på elektriska fält kan hjälpa till att förbättra förbränningseffektiviteten och minska föroreningarna.

Förmågan att exakt kontrollera lågor skulle kunna leda till ökad energieffektivitet och färre skadliga utsläpp från transporter och industri. Lågor innehåller laddade joner och elektroner, som kan manipuleras med el. KAUST-forskare har nu tagit fram de första detaljerade 3D-visualiseringarna av jonvindar som strömmar från en låga som svar på både direkta (DC) och alternerande (AC) elektriska fält.

Minsuk Cha och medarbetare har tidigare utvecklat en teoretisk modell som förklarar hur joner i en låga reagerar på elektriska fält. För deras senaste arbete, forskarna kastade ut en blandning av metan och luft genom ett jetflamemunstycke placerat mellan två elektroder. De tände lågan med hjälp av en argonjonlaser och upptäckte det spridda ljuset för att spåra rörelsen hos enskilda partiklar genom lågan - en teknik som kallas partikelbildshastighet eller PIV. För att förbättra denna visualisering, de var tvungna att lägga till reflekterande fröpartiklar gjorda av titanoxid och olja till lågan.

"Partikelsådd till den omgivande lågan var ganska svårt, " säger Cha. "Vi använde en rökgenerator, men vi var tvungna att kontrollera tidpunkten för rökgenereringen mycket noggrant så att vi inte störde huvudflödet. Det var ett tidskrävande steg som krävde mycket tålamod."

Forskarna skaffade bilder som avslöjar oöverträffade detaljer om hur flamdynamik reagerar på elektricitet. När de använde ett DC-fält, lågan böjde sig visuellt mot den negativa elektroden eftersom positiva joner (som är betydligt fler än negativa joner i lågan) attraherades på det sättet (se bild).

kontraintuitivt, dock, jonvinden blåste mot båda elektroderna, indikerar en viktig roll för negativa joner. I ett AC-fält, den joniska vinddynamiken berodde på den applicerade AC-frekvensen, dock endast vid låga frekvenser. Dessa jonvindar kan påverka förbränningsprocessen genom att tillåta en kontrollerad omfördelning av värme och förbränningsprodukter genom konvektion.

Cha säger att han hoppas att detta arbete kan ha en mycket positiv inverkan på den framtida designen av flamgenererande maskiner. Viktigast, det skulle inte kräva byggandet av helt ny industriell utrustning, som Cha förklarar:

"Det fina med den här metoden är att den kan eftermonteras - den kan läggas till som en aktiv styrmetod för alla redan existerande förbränningssystem. Beroende på systemkonfigurationen och vilken typ av förbränning som vi behöver kontrollera, vi skulle kunna använda vår kunskap och förståelse för att räkna ut lämpliga placeringar av elektroder och välja de bästa driftsparametrarna, såsom spänning eller frekvens."