Электрическое поле сделало пламя метана устойчивее
Российские ученые впервые показали в эксперименте, как электрическое поле влияет на пламя метана. При некоторых напряжениях температурные скачки в пламени стали в 8 раз слабее.
Источник: Денис Касымов / ТГУ. Процесс исследования пульсаций пламени.
МОСКВА, 7 июня. /Новости науки/. Ученые из Томска выяснили, что внешнее электрическое поле может резко ослаблять температурные пульсации в пламени метана и переводить его в более устойчивый режим горения. Об этом сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале FirePhysChem.
Диффузионное пламя метана возникает, когда газ и воздух не смешиваются заранее, а встречаются уже в зоне горения. Так горит, например, газ в плите или зажигалке. Похожие процессы используют в газовых турбинах ТЭЦ, промышленных печах и установках для обжига материалов.
Главная проблема такого пламени — колебания температуры. Они снижают стабильность работы оборудования, ухудшают эффективность сжигания топлива и могут повышать риски для камер сгорания.
Ученые из Томского государственного университета и Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН проверили, можно ли управлять такими колебаниями с помощью электрического поля. Оно действует на заряженные частицы в пламени и меняет движение газов.
Исследователи использовали установку с горелкой, системой высоковольтного питания и двумя электродами. Они испытали два варианта: с расстоянием между электродами 55 мм и напряжением до 5,5 кВ, а также с расстоянием 70 мм и напряжением до 10 кВ.
Температуру пламени измеряли с помощью инфракрасной камеры научного класса. Затем данные обработали цифровыми методами и провели спектральный анализ. Это позволило увидеть, как меняется размах температурных колебаний при разной силе электрического поля.
Оказалось, что при напряжении около 5 кВ температурные скачки резко слабеют. В первом варианте установки они сначала уменьшились почти на четверть, а затем при дальнейшем росте напряжения стали в 6–8 раз меньше, чем без поля.
Во втором варианте установки колебания сначала снизились примерно в полтора раза, а затем — более чем в 5 раз. При высоком напряжении прежние температурные пульсации почти полностью исчезали. Пламя переходило в устойчивое горение.
Ученые также увидели, что при напряжении выше 3 кВ пламя начинает отклоняться к отрицательному электроду. Это связано с так называемым ионным ветром — движением положительно заряженных частиц в зоне горения. Электрическое поле также меняло высоту и ширину факела.
«Полученные результаты демонстрируют тесную связь между температурными пульсациями и структурой пламени. Внешнее электрическое поле влияет на скорость потока заряженных частиц, распределение давления и подачу окислителя, что открывает возможность управления горением без механического вмешательства», — сказал руководитель проекта Денис Касымов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией моделирования и прогноза катастроф механико-математического факультета ТГУ.
По словам Касымова, на основе экспериментальных данных ученые планируют создать математическую модель процесса. Она поможет изучить, как на пламя влияют форма электродов и их расположение.
Авторы считают, что результаты пригодятся при разработке более энергоэффективных промышленных горелок для котельных и ТЭЦ, бытовых горелок, систем управления сжиганием природного газа и перспективных энергетических установок.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале FirePhysChem.
Диффузионное пламя метана возникает, когда газ и воздух не смешиваются заранее, а встречаются уже в зоне горения. Так горит, например, газ в плите или зажигалке. Похожие процессы используют в газовых турбинах ТЭЦ, промышленных печах и установках для обжига материалов.
Главная проблема такого пламени — колебания температуры. Они снижают стабильность работы оборудования, ухудшают эффективность сжигания топлива и могут повышать риски для камер сгорания.
Ученые из Томского государственного университета и Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН проверили, можно ли управлять такими колебаниями с помощью электрического поля. Оно действует на заряженные частицы в пламени и меняет движение газов.
Исследователи использовали установку с горелкой, системой высоковольтного питания и двумя электродами. Они испытали два варианта: с расстоянием между электродами 55 мм и напряжением до 5,5 кВ, а также с расстоянием 70 мм и напряжением до 10 кВ.
Температуру пламени измеряли с помощью инфракрасной камеры научного класса. Затем данные обработали цифровыми методами и провели спектральный анализ. Это позволило увидеть, как меняется размах температурных колебаний при разной силе электрического поля.
Оказалось, что при напряжении около 5 кВ температурные скачки резко слабеют. В первом варианте установки они сначала уменьшились почти на четверть, а затем при дальнейшем росте напряжения стали в 6–8 раз меньше, чем без поля.
Во втором варианте установки колебания сначала снизились примерно в полтора раза, а затем — более чем в 5 раз. При высоком напряжении прежние температурные пульсации почти полностью исчезали. Пламя переходило в устойчивое горение.
Ученые также увидели, что при напряжении выше 3 кВ пламя начинает отклоняться к отрицательному электроду. Это связано с так называемым ионным ветром — движением положительно заряженных частиц в зоне горения. Электрическое поле также меняло высоту и ширину факела.
«Полученные результаты демонстрируют тесную связь между температурными пульсациями и структурой пламени. Внешнее электрическое поле влияет на скорость потока заряженных частиц, распределение давления и подачу окислителя, что открывает возможность управления горением без механического вмешательства», — сказал руководитель проекта Денис Касымов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией моделирования и прогноза катастроф механико-математического факультета ТГУ.
По словам Касымова, на основе экспериментальных данных ученые планируют создать математическую модель процесса. Она поможет изучить, как на пламя влияют форма электродов и их расположение.
Авторы считают, что результаты пригодятся при разработке более энергоэффективных промышленных горелок для котельных и ТЭЦ, бытовых горелок, систем управления сжиганием природного газа и перспективных энергетических установок.
