Nuove visualizzazioni 3D che rivelano come le fiamme rispondono ai campi elettrici potrebbero aiutare a migliorare l'efficienza della combustione e ridurre l'inquinamento.

La capacità di controllare con precisione le fiamme potrebbe portare a una maggiore efficienza energetica ea minori emissioni nocive provenienti dai trasporti e dall'industria. Le fiamme contengono ioni ed elettroni carichi, che può essere manipolato usando l'elettricità. I ricercatori KAUST hanno ora prodotto le prime visualizzazioni 3D dettagliate dei venti ionici che fluiscono da una fiamma in risposta a campi elettrici diretti (CC) e alternati (CA).

Minsuk Cha e colleghi hanno precedentemente sviluppato un modello teorico che spiega come gli ioni in una fiamma rispondono ai campi elettrici. Per il loro ultimo lavoro, i ricercatori hanno espulso una miscela di metano e aria attraverso un ugello a getto di fiamma posizionato tra due elettrodi. Hanno illuminato la fiamma usando un laser a ioni di argon e hanno rilevato la luce diffusa per tracciare il movimento delle singole particelle attraverso la fiamma, una tecnica chiamata velocimetria dell'immagine delle particelle o PIV. Per migliorare questa visualizzazione, dovevano aggiungere alle particelle di semina riflettenti la fiamma fatte di ossido di titanio e olio.

"L'inseminazione di particelle alla fiamma ambiente è stata piuttosto difficile, " dice Cha. "Abbiamo usato un generatore di fumo, ma abbiamo dovuto controllare molto attentamente i tempi della generazione del fumo in modo da non disturbare il flusso principale. È stato un passo che ha richiesto molto tempo e molta pazienza".

I ricercatori hanno acquisito immagini che rivelano dettagli senza precedenti su come la dinamica della fiamma risponde all'elettricità. Quando usavano un campo DC, la fiamma si è piegata visivamente verso l'elettrodo negativo perché gli ioni positivi (che superano di gran lunga gli ioni negativi nella fiamma) sono stati attratti in quel modo (vedi immagine).

Controintuitivamente, però, il vento ionico soffiava verso entrambi gli elettrodi, indicando un ruolo importante per gli ioni negativi. In un campo di corrente alternata, la dinamica del vento ionico dipendeva dalla frequenza AC applicata, anche se solo a basse frequenze. Questi venti ionici potrebbero influenzare il processo di combustione consentendo una ridistribuzione controllata del calore e dei prodotti della combustione per convezione.

Cha dice di sperare che questo lavoro possa avere un impatto molto positivo sulla futura progettazione di macchinari che generano fiamme. Più importante, non richiederebbe la costruzione di attrezzature industriali completamente nuove, come spiega Cha:

"La bellezza di questo metodo è che può essere adattato a posteriori:può essere aggiunto come metodo di controllo attivo per qualsiasi sistema di combustione preesistente. A seconda della configurazione del sistema e del tipo di combustione che dobbiamo controllare, potremmo usare la nostra conoscenza e comprensione per elaborare le posizioni appropriate degli elettrodi e scegliere i migliori parametri operativi, come la tensione o la frequenza."