Flamkulor är milda och ömtåliga sfäriska lågor som fram till nyligen bara kunde existera under förhållanden med nästan noll gravitation. Forskare vid TU/e ​​har lyckats observera flambollar vid normala jordbundna förhållanden, och sålunda, upptäckt nya insikter i hur magra bränsleblandningar fungerar. Magra väteblandningar tros vara framtidens bränsle eftersom de inte släpper ut någon CO ₂ och endast låga koncentrationer av kväveoxider. Följ med våra forskare på deras spännande resa för att förstå den gåtfulla lågan.

Man behöver inte vara en förbränningsforskare för att förstå det, när en bränsle-luftblandning antänds, lågor börjar spridas. Syre reagerar med bränsle i lågan, värme frigörs och antänder blandningen bredvid lågan, och denna process fortsätter. Detta händer i gasspisen i ditt kök, i en cylinder i din bilmotor, eller i en gasturbin i ett kraftverk.

Men även förbränningsforskare blir förbryllade när de ser en eldboll för första gången. "En flamboll är en liten lysande sfärisk låga, som bibehåller samma storlek och form under praktiskt taget obegränsad tid, " förklarar Philip de Goey, chef för Förbränningsteknikgruppen vid TU/e. "Det ser ut som något omöjligt. Det expanderar inte, medan det finns mycket färsk blandning runt, och den slocknar inte, även om det inte finns något bränsle inuti den."

Hemligheten med flamkulan är att det är en så kallad diffusionslåga. Dess förbränning stöds av en kontinuerlig tillförsel av syre och bränsle som diffunderar mot denna sfäriska låga från den omgivande blandningen. Värmen som frigörs avges även till den omgivande blandningen genom diffusion, och en bråkdel av den förs bort av strålning. På grund av denna värmeförlust kan flamkulan inte antända den intilliggande blandningen och expandera. Detta gör den stabil.

Mild och skör

Förutspått av Drozdov och Zeldovich 1943, Flamkulor ansågs länge vara en teoretisk kuriosa eftersom ingen någonsin observerade dem under nästan ett halvt sekel efter den förutsägelsen. Anledningen är att de flesta förbränningslaboratorier är byggda på jorden, och, Således, som allt på jorden, är föremål för gravitationen.

I teorin, en brännbar blandning måste vara orörlig för att en flamkula ska existera. Dock, lågor vid jordens gravitation tenderar att generera uppåtriktade konvektionsflöden på grund av flytkrafter som verkar på den heta förbränningsprodukten, som till exempel i ljus. Även om denna naturliga konvektion hjälper ljus att brinna, en eldboll är för mild och för ömtålig för att överleva den.

Det var inte förrän 1990, när flambollar först experimentellt upptäcktes av Paul Ronney, när gravitationsfria förbränningsexperiment blev möjliga. Sådana experiment utfördes i fritt fallande kammare, tappade från höga torn, eller ombord på plan som flyger i paraboliska banor – en slags flygande berg-och dalbana, där man också kan känna sig viktlös, dock för en kortare tid.

När man experimenterar med så kallade magra gränsblandningar, som innehåller mycket små mängder bränsle och knappt tål förbränning, Paul Ronny observerade att flera flamkulor av 5-10 mm storlek bildades och brändes i en blandning av väte och luft.

Varför flamma bollar roll

Strax efter upptäckten, forskare insåg den potentiella betydelsen av att studera flamma bollar. Först, sådana lågor har temperaturer mycket lägre än de som finns i andra lågor. De är också extremt känsliga för små förändringar i de förhållanden under vilka de brinner. Detta gör en flamkula till ett utmärkt objekt för att validera teoretiska förbränningsmodeller. En sådan validering blir särskilt viktig eftersom modern förbränningsteknik går mot blandningar med låga koncentrationer av bränsle. Dessa så kallade magra blandningar tenderar att generera kallare lågor som producerar färre kväveoxider (NO _x ). Och flambollar är de magraste lågorna som möjligt

Andra, Flamkulor kan finnas i de magraste blandningarna som fortfarande kan brinna - om mindre bränsle finns i luften, ingen förbränning är möjlig. De slutliga gränserna för lågor är viktiga för utvecklingen av säkerhetsstandarder och för utformningen av förbränningsanordningar.

Till sist, Att studera flammbollsfenomen kan hjälpa oss att bättre förstå förbränningsmekanismerna hos magra väteblandningar. Vätgas är en av de främsta förespråkarna för att bli ett "grönt" bränsle för framtiden, och mager förbränning betraktas som framtiden för förbränningsteknikerna.

Att föra lågorna till jorden

Inte konstigt då att upptäckten av flamkulor utlöste ytterligare intensiva teoretiska och experimentella undersökningar. Experiment utfördes till och med vid den internationella rymdstationen, där villkoren för "mikrogravitation" är optimala och permanenta. Omfattande mätningar under sådana förhållanden, dock, är inte möjliga på grund av den mycket höga kostnaden och de begränsade möjligheterna till experimentell diagnostik.

Det ändrades, dock, när flambollar fördes till marken av TU/e-forskaren Yuriy Shoshin, arbetar inom Philip de Goeys Combustion Technology-grupp. Som hände i fallet med mikrogravitationsflamkulor, Shoshin upptäckte "normala" gravitationsflamkulor av en slump.

"När vi fyllde ett vertikalt glasrör med en blandning som innehöll väte och antändes från den nedre änden, vi observerade nästan perfekta lysande bollar som sakta höjde sig till rörets övre ände, " säger Shoshin. Det visade sig att flytkrafter som induceras av lågan skapar en liten virvel där lågan ligger. Så istället för att förstöra lågan, som var fallet i tidigare experiment, den gravitationsinducerade konvektionen vid lämpliga förhållanden hjälper till att bevara den.

Levande celler

Ytterligare intensiva experimentella och numeriska studier ledde till många nya insikter om hur magra väteflammor fungerar, säger Shoshin "Bl.a. vi fann att när en bränsleblandning strömmar nedåt genom en porös platta inuti ett brett rör, flera lågor bildas som överraskande nog beter sig som levande celler, dramatiskt "kämpar för livet."

"Bollen tävlar om bränsle som mat, ständigt ändra riktning varje gång nytt bränsle blir tillgängligt. Om en flamboll har turen att hitta en plats med mycket bränsle, den delar sig i två, precis som en levande cell. Celler som är omgivna av mer framgångsrika konkurrenter har mindre tur, och förfall. De kan inte längre motstå det nedåtgående gasflödet genom självinducerad flytkraft. Dessa olyckliga bollar tas bort från bränslekällan genom gasflöde och "dör" så småningom av svält."

Munkar och hästskor

Det faktum att flamkulor finns i en virvel gav upphov till idén att lågor med liknande förbränningsmekanismer möjligen skulle kunna bildas vid andra förhållanden, där virvlar finns. "Och, verkligen, i ytterligare experiment har vi hittat andra typer av lågor som brinner på liknande sätt, formad som munkar och hästskor."

Sådana lågor bildas runt så kallade virvelfilament, ledningar runt vilka gasen roterar. I praktiska anordningar, förbränning sker nästan alltid i turbulenta blandningar, och det är känt att sådana filament är närvarande i turbulent gas. "Detta ger oss hopp om att studier av sådana lågor kan hjälpa till att förstå magra väte turbulenta lågor, säger Shoshin.

Flamkulans förbränningsmekanismer kan också vara relevanta för flamstabilisering. "Lågor måste vara stabila för att kunna användas i hushållspannor eller gaskraftverk, och det vanligaste sättet att stabilisera lågor är att skapa en virvel bakom något hinder placerat i ett brännbart blandningsflöde."

Bortom teori

De Goey betonar vikten av att undersöka flamkulor vid icke-mikrogravitationsförhållanden. "Medan flambollar med noll gravitation förblir det mest grundläggande och enklaste exemplet på en flamkula, flamkulorna och deras släktingar som studerats i vår grupp kan existera under olika förhållanden. Detta gör deras fysik mycket mer intressant, och också mycket mer relevant för andra områden av förbränningsvetenskap."

"Intressant, även om våra studier till stor del var inspirerade av mikrogravitationsexperiment av Paul Ronney, för några av medlemmarna i "flameball-familjen" som upptäcktes i våra labb, gravitationseffekterna visade sig inte vara viktiga alls."

Nästa steg i forskningen av De Goey och hans team är att införliva fenomenet flame ball i tidigare teorier om normala lågor. Dock, deras intresse för den gåtfulla flamkulan går långt utöver ren vetenskaplig nyfikenhet. "I slutet, en fullständig förståelse för hur de fungerar kommer att hjälpa oss att utveckla magra bränslen som kommer att bana väg för en hållbar energiframtid, " han säger.