Nieuwe 3D-visualisaties die laten zien hoe vlammen reageren op elektrische velden, kunnen de verbrandingsefficiëntie helpen verbeteren en vervuiling verminderen.

Het vermogen om vlammen nauwkeurig te beheersen kan leiden tot een grotere energie-efficiëntie en minder schadelijke uitstoot door transport en industrie. Vlammen bevatten geladen ionen en elektronen, die kunnen worden gemanipuleerd met behulp van elektriciteit. KAUST-onderzoekers hebben nu de eerste gedetailleerde 3D-visualisaties geproduceerd van ionische winden die uit een vlam stromen als reactie op zowel directe (DC) als wisselende (AC) elektrische velden.

Minsuk Cha en collega's ontwikkelden eerder een theoretisch model dat uitlegt hoe ionen in een vlam reageren op elektrische velden. Voor hun laatste werk de onderzoekers stootten een mengsel van methaan en lucht uit door een straalvlammondstuk dat tussen twee elektroden was geplaatst. Ze verlichtten de vlam met behulp van een argon-ionlaser en detecteerden het verstrooide licht om de beweging van individuele deeltjes door de vlam te volgen - een techniek die deeltjesbeeldsnelheidsmeting of PIV wordt genoemd. Om deze visualisatie te verbeteren, ze moesten toevoegen aan de vlamreflecterende entdeeltjes gemaakt van titaniumoxide en olie.

"Het zaaien van deeltjes naar de omgevingsvlam was behoorlijk moeilijk, " zegt Cha. "We gebruikten een rookgenerator, maar we moesten de timing van de rookontwikkeling zeer zorgvuldig controleren, zodat we de hoofdstroom niet zouden verstoren. Het was een tijdrovende stap waar veel geduld voor nodig was."

De onderzoekers verzamelden beelden die ongekende details onthullen van hoe de vlamdynamiek reageert op elektriciteit. Toen ze een gelijkstroomveld gebruikten, de vlam boog visueel naar de negatieve elektrode omdat positieve ionen (die veel groter zijn dan negatieve ionen in de vlam) op die manier werden aangetrokken (zie afbeelding).

Niet intuïtief, echter, de ionische wind blies in de richting van beide elektroden, wat wijst op een belangrijke rol voor negatieve ionen. In een AC-veld, de ionische winddynamiek was afhankelijk van de toegepaste AC-frequentie, maar alleen bij lage frequenties. Deze ionische winden zouden het verbrandingsproces kunnen beïnvloeden door een gecontroleerde herverdeling van warmte en verbrandingsproducten door convectie mogelijk te maken.

Cha zegt te hopen dat dit werk een zeer positief effect kan hebben op het toekomstige ontwerp van vlamgenererende machines. Het belangrijkste is, het zou niet de bouw van volledig nieuwe industriële apparatuur vereisen, zoals Cha uitlegt:

"Het mooie van deze methode is dat hij achteraf kan worden ingebouwd - hij kan worden toegevoegd als actieve regelmethode voor elk reeds bestaand verbrandingssysteem. Afhankelijk van de systeemconfiguratie en het type verbranding dat we moeten regelen, we zouden onze kennis en begrip kunnen gebruiken om de juiste locaties van elektroden uit te werken en de beste operationele parameters te kiezen, zoals spanning of frequentie."