Электрическое поле подавило температурные пульсации в пламени метана

Ученые впервые экспериментально показали, как внешнее электрическое поле разной силы влияет на структуру и температурные пульсации пламени метана. Оказалось, что при определенных напряжениях температурные скачки становятся в 8 раз слабее, чем в их отсутствии. Контролировать такие скачки важно, чтобы обеспечить безопасность процесса горения в турбинах ТЭЦ и повысить эффективность сжигания топлива. Исследование открывает путь к созданию более надежных и безопасных камер сгорания, способных устойчиво и стабильно работать даже на сложном топливе. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале FirePhysChem.

Диффузионное пламя метана — это пламя, в котором газ и воздух не смешиваются заранее, а встречаются прямо в момент горения, как в газовой плите или зажигалке. Такое пламя широко используется в энергетике, например, в газовых турбинах ТЭЦ, промышленных печах для металлургии и обжига материалов. Однако при его горении происходят сильные колебания температуры, снижающие эффективность и стабильность тепловых устройств. Решить эту проблему можно с помощью электрического поля. Оно способно управлять пламенем, так как воздействует на заряженные частицы в огне и влияет на движение газов. Тем не менее до сих пор ученые не имели достоверных количественных данных о том, как напряженность поля — сила, с которой электричество «толкает» заряженные частицы в пламени, — влияет на колебания температуры.

Исследователи из Томского государственного университета (Томск) и Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН (Томск) испытали два варианта установки, состоящей из горелки, системы высоковольтного питания и пары электродов: когда расстояние между электродами было 55 миллиметров (напряжение до 5,5 киловольт) и 70 миллиметров (до 10 киловольт). Температуру регистрировали с использованием инфракрасной камеры научного класса, а для исследования графиков изменения температуры применяли цифровую обработку и спектральный анализ. Это позволило определить диапазон колебаний и их зависимость от напряженности поля.

Оказалось, что, как только напряжение достигает 5 киловольт, величина температурных скачков резко уменьшается. В первом варианте установки перепады температуры снизились сначала почти на четверть, а затем — при дальнейшем росте напряжения — упали в 6–8 раз по сравнению с исходными. Во втором варианте установки колебания уменьшились сначала примерно в полтора раза, а потом — более чем в 5 раз. При высоком напряжении прежние температурные колебания почти полностью пропадали — пламя переходило в устойчивое горение.

Кроме того, ученые обнаружили, что при напряжении выше 3 киловольт пламя отклоняется в сторону отрицательного электрода. Это явление «ионного ветра», которое вызвано движением положительно заряженных частиц в зоне горения. Электрическое поле также уменьшало высоту пламени и меняло его ширину.

Данные, полученные в ходе выполнения работ, важны для создания энергоэффективных промышленных горелок для котельных и ТЭЦ, а также бытовых горелок, систем управления процессами сжигания природного газа и для повышения устойчивости горения в перспективных энергетических установках.

«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 полученных экспериментальных данных в дальнейшем мы планируем разработать математическую модель рассмотренного процесса с различной формой и местом расположения электродов. Такие исследования дадут более точное понимание физических процессов, протекающих при воздействии внешнего электрического поля на факел пламени. — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Денис Касымов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией моделирования и прогноза катастроф механико-математического факультета, доцент кафедры физической и вычислительной механики Томского государственного университета.