Исследователи впервые экспериментально доказали влияние внешнего электрического поля различной интенсивности на структуру и температурные пульсации пламени метана. Установлено, что при определенных напряжениях температурные скачки ослабевают вплоть до 8 раз по сравнению с исходными значениями. Контроль этих скачков критически важен для обеспечения безопасности горения в энергетических турбинах и повышения эффективности использования топлива. Работа прокладывает путь к созданию более надежных и безопасных камер сгорания, способных устойчиво функционировать даже на сложных видах топлива. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале FirePhysChem.
Диффузионное пламя и проблема колебаний
Диффузионное пламя метана возникает, когда газ и воздух смешиваются непосредственно в момент горения, как в газовой плите или зажигалке. Такое пламя широко применяется в энергетике, включая газовые турбины ТЭЦ и промышленные печи. Однако его горение сопровождается сильными температурными колебаниями, снижающими эффективность и стабильность тепловых агрегатов. Решение этой проблемы возможно с применением электрического поля. Оно воздействует на заряженные частицы в пламени и влияет на движение газов, позволяя управлять процессом. Тем не менее, ранее не существовало надежных количественных данных о том, как напряженность поля (сила воздействия на заряженные частицы) влияет на температурные колебания.
Эксперимент: Установки и методы
Специалисты Томского государственного университета (Томск) и Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН (Томск) провели испытания двух конфигураций установки. Установка включала горелку, систему высоковольтного питания и пару электродов. В первом случае расстояние между электродами составляло 55 миллиметров (напряжение до 5,5 киловольт), во втором — 70 миллиметров (до 10 киловольт). Температуру фиксировали с помощью инфракрасной камеры научного класса. Для анализа графиков изменения температуры использовали цифровую обработку сигналов и спектральный анализ, что позволило определить амплитуду колебаний и их связь с напряженностью поля.
Результаты показали резкое уменьшение величины температурных скачков при достижении напряжения 5 киловольт. В первой конфигурации установки перепады температуры сначала снизились почти на четверть, а при дальнейшем росте напряжения упали в 6-8 раз. Во второй конфигурации колебания сначала уменьшились примерно в полтора раза, а затем — более чем в 5 раз. При высоком напряжении исходные температурные колебания практически исчезали, пламя переходило в устойчивый режим горения.
Дополнительные эффекты поля
Ученые также зафиксировали, что при напряжении свыше 3 киловольт пламя отклоняется в сторону отрицательного электрода. Это явление, известное как "ионный ветер", вызвано движением положительно заряженных частиц в зоне горения. Электрическое поле также уменьшало высоту пламени и изменяло его ширину.
Значимость для энергетики
Полученные данные имеют большое значение для разработки энергоэффективных промышленных горелок для котельных и ТЭЦ, а также бытовых устройств. Они важны для создания систем управления сжиганием природного газа и повышения устойчивости горения в перспективных энергетических установках.
Перспективы управления горением
"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. На основании экспериментальных данных мы планируем разработать математическую модель процесса с различной формой и расположением электродов. Это даст более точное понимание физики воздействия внешнего электрического поля на пламя", — отмечает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ.
