Vlamballen zijn zachte en fragiele bolvormige vlammen die tot voor kort alleen konden bestaan ​​in omstandigheden van bijna nul zwaartekracht. Onderzoekers van de TU/e ​​zijn erin geslaagd vlammenballen te observeren bij normale aardgebonden omstandigheden, en daarom, nieuwe inzichten ontdekt in de werking van magere brandstofmengsels. Magere waterstofmengsels worden beschouwd als de brandstof van de toekomst omdat ze geen CO . uitstoten ₂ en slechts lage concentraties stikstofoxiden. Ga met onze onderzoekers mee op hun spannende reis om de raadselachtige vlambal te begrijpen.

Je hoeft geen verbrandingswetenschapper te zijn om dat te begrijpen, wanneer een brandstof-luchtmengsel wordt ontstoken, vlammen beginnen zich te verspreiden. Zuurstof reageert met brandstof in de vlam, warmte komt vrij en ontsteekt het mengsel naast de vlam, en dit proces gaat door. Dit gebeurt in het gasfornuis in je keuken, in een cilinder van uw automotor, of in een gasturbine in een elektriciteitscentrale.

Maar zelfs verbrandingswetenschappers raken in de war als ze voor het eerst een vlammenbal zien. "Een vlambal is een kleine lichtgevende bolvormige vlam, die vrijwel onbeperkte tijd dezelfde grootte en vorm behoudt, " legt Philip de Goey uit, hoofd van de groep Verbrandingstechnologie aan de TU/e. "Het ziet eruit als iets onmogelijks. Het breidt zich niet uit, terwijl er een overvloed aan vers mengsel in de buurt is, en het dooft niet, ook al zit er geen brandstof in."

Het geheim van de vlambol is dat het een zogenaamde diffusievlam is. De verbranding wordt ondersteund door een continue toevoer van zuurstof en brandstof die vanuit het omringende mengsel naar deze bolvormige vlam diffundeert. De vrijgekomen warmte wordt ook door diffusie aan het omringende mengsel afgegeven, en een fractie ervan wordt door straling meegevoerd. Door dit warmteverlies is de vlambol niet in staat het aangrenzende mengsel te ontsteken en uit te zetten. Dit maakt het stabiel.

Zacht en kwetsbaar

Voorspeld door Drozdov en Zeldovich in 1943, Lange tijd werd gedacht dat vlammenballen een theoretische curiositeit waren, aangezien niemand ze gedurende bijna een halve eeuw na die voorspelling ooit heeft waargenomen. De reden is dat de meeste verbrandingslaboratoria op aarde zijn gebouwd, en, dus, zoals alles op aarde, zijn onderhevig aan de zwaartekracht.

In theorie, een brandbaar mengsel moet onbeweeglijk zijn om een ​​​​vlambal te laten bestaan. Echter, vlammen bij de zwaartekracht van de aarde hebben de neiging om opwaartse convectiestromen te genereren als gevolg van opwaartse krachten die op het hete verbrandingsproduct werken, zoals bijvoorbeeld in kaarsen. Terwijl deze natuurlijke convectie kaarsen helpt te branden, een vlammenbal is te zacht en te kwetsbaar om het te overleven.

Het duurde tot 1990, toen vlamballen voor het eerst experimenteel werden ontdekt door Paul Ronney, toen zwaartekrachtvrije verbrandingsexperimenten mogelijk werden. Dergelijke experimenten werden uitgevoerd in vrij vallende kamers, van hoge torens gevallen, of aan boord van vliegtuigen die in parabolische banen vliegen - een soort vliegende achtbaan, waar men zich ook gewichtloos kan voelen, hoewel voor een kortere tijd.

Bij het experimenteren met zogenaamde arme limietmengsels, die zeer kleine hoeveelheden brandstof bevatten en nauwelijks de verbranding kunnen ondersteunen, Paul Ronny merkte op dat er meerdere vlamballen van 5-10 mm werden gevormd en verbrand in een mengsel van waterstof en lucht.

Waarom vlammenballen belangrijk zijn

Kort na de ontdekking, onderzoekers erkenden het potentiële belang van het bestuderen van vlammenballen. Eerst, dergelijke vlammen hebben temperaturen die veel lager zijn dan die in andere vlammen. Ze zijn ook extreem gevoelig voor kleine veranderingen in de omstandigheden waaronder ze branden. Dit maakt een vlambal een uitstekend object om theoretische verbrandingsmodellen te valideren. Een dergelijke validatie wordt vooral belangrijk naarmate moderne verbrandingstechnologieën evolueren naar mengsels met lage brandstofconcentraties. Deze zogenaamde arme mengsels hebben de neiging om koelere vlammen te genereren die minder stikstofoxiden (NO _x ). En vlamballen zijn de magerste vlammen die mogelijk zijn

Tweede, vlamballen kunnen voorkomen in de armste mengsels die nog kunnen branden - als er minder brandstof in de lucht aanwezig is, geen verbranding mogelijk. De uiterste grenzen waarbinnen vlammen kunnen bestaan, zijn belangrijk voor de ontwikkeling van veiligheidsnormen en voor het ontwerp van verbrandingsinrichtingen.

Eindelijk, het bestuderen van vlambalverschijnselen kan ons helpen om de verbrandingsmechanismen van arme waterstofmengsels beter te begrijpen. Waterstof is een van de belangrijkste pretendenten om een ​​'groene' brandstof van de toekomst te worden, en arme verbranding wordt beschouwd als de toekomst van de verbrandingstechnologieën.

De vlammenballen naar de aarde brengen

Geen wonder dus dat de ontdekking van vlamballen aanleiding gaf tot verder intensief theoretisch en experimenteel onderzoek. Er werden zelfs experimenten uitgevoerd in het internationale ruimtestation, waar de omstandigheden van 'microzwaartekracht' optimaal en permanent zijn. Uitgebreide metingen in dergelijke omstandigheden, echter, zijn niet mogelijk vanwege de zeer hoge kosten en de beperkte mogelijkheden voor experimentele diagnostiek.

Dat veranderde, echter, toen vlamballen naar de grond werden gebracht door TU/e-onderzoeker Yuriy Shoshin, werkzaam binnen de Combustion Technology-groep van Philip de Goey. Zoals gebeurde in het geval van vlamballen met microzwaartekracht, Shoshin ontdekte per ongeluk 'normale' zwaartekrachtvlamballen.

"Toen we een verticale glazen buis vulden met een mengsel dat waterstof bevat en aan de onderkant ontbrandde, we zagen bijna perfecte lichtgevende ballen die langzaam omhoog gingen naar het bovenste uiteinde van de buis, ", zegt Shoshin. Het bleek dat de door de vlam veroorzaakte drijfkrachten een kleine draaikolk creëren waarin de vlambal zich bevindt. Dus in plaats van de vlambal te vernietigen, zoals bij eerdere experimenten het geval was, de zwaartekracht-geïnduceerde convectie onder de juiste omstandigheden helpt om het te behouden.

Levende cellen

Verdere intensieve experimentele en numerieke studies leidden tot veel nieuwe inzichten in de werking van magere waterstofvlammen, zegt Shoshin "Onder andere, we ontdekten dat wanneer een brandstofmengsel naar beneden stroomt door een poreuze plaat in een brede buis, er worden meerdere vlamballen gevormd die zich verrassend genoeg gedragen als levende cellen, dramatisch 'vechten voor het leven.'"

"De ballen strijden om brandstof zoals voedsel, voortdurend van richting veranderen telkens wanneer er nieuwe brandstof beschikbaar komt. Als een vlammenbal het geluk heeft een locatie te vinden met veel brandstof, het splitst zich in tweeën, net als een levende cel. Cellen die worden omringd door meer succesvolle concurrenten hebben minder geluk, en verval. Ze kunnen de neerwaartse gasstroom niet langer weerstaan ​​door zelfopgewekt drijfvermogen. Deze ongelukkige ballen worden door de gasstroom uit de brandstofbron verwijderd en 'sterven' uiteindelijk van de honger."

Donuts en hoefijzers

Het feit dat vlamballen in een vortex bestaan, gaf aanleiding tot het idee dat vlammen met vergelijkbare verbrandingsmechanismen mogelijk onder andere omstandigheden zouden kunnen worden gevormd, waar wervelingen aanwezig zijn. "En, inderdaad, in verdere experimenten hebben we andere soorten vlammen gevonden die op een vergelijkbare manier branden, in de vorm van donuts en hoefijzers."

Dergelijke vlammen vormen zich rond zogenaamde vortexfilamenten, lijnen waar het gas omheen draait. In praktische apparaten, verbranding vindt bijna altijd plaats in turbulente mengsels, en het is bekend dat dergelijke filamenten aanwezig zijn in turbulent gas. "Dit geeft ons de hoop dat het bestuderen van dergelijke vlammen kan helpen om turbulente vlammen van magere waterstof te begrijpen, ' zegt Shoshin.

Vlamkogelverbrandingsmechanismen kunnen ook relevant zijn voor vlamstabilisatie. "Vlammen moeten stabiel zijn om bruikbaar te zijn in huishoudelijke ketels of gascentrales, en de meest gebruikelijke manier om vlammen te stabiliseren is het creëren van een draaikolk achter een obstakel dat in een stroom van brandbare mengsels is geplaatst."

Voorbij de theorie

De Goey benadrukt het belang van onderzoek naar vlammenballen bij niet-microzwaartekracht. "Hoewel vlamballen zonder zwaartekracht het meest fundamentele en meest eenvoudige voorbeeld van een vlambal blijven, de vlammenballen en hun verwanten die in onze groep zijn bestudeerd, kunnen onder verschillende omstandigheden bestaan. Dit maakt hun fysica veel interessanter, en ook veel relevanter voor andere gebieden van verbrandingswetenschap."

"Interessant, ook al waren onze studies voor een groot deel geïnspireerd door microzwaartekrachtexperimenten van Paul Ronney, voor sommige leden van de 'flame ball-familie' die in onze laboratoria zijn ontdekt, de zwaartekrachteffecten bleken helemaal niet belangrijk."

De volgende stap in het onderzoek van De Goey en zijn team is het incorporeren van het vlambalfenomeen in eerdere theorieën over normale vlammen. Echter, hun interesse in de raadselachtige vlammenbal gaat veel verder dan louter wetenschappelijke nieuwsgierigheid. "Uiteindelijk, een volledig begrip van hoe ze werken, zal ons helpen magere brandstoffen te ontwikkelen die de weg vrijmaken voor een duurzame energietoekomst, " hij zegt.