Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 14 – vyšlo 5. května, ročník 21 (2023) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

14/2023

Mihotání plamenů

Petr Kulhánek

Snad každý zažil ten krásný pocit někde u táboráku či u krbu s mihotajícími plameny, příjemnou atmosférou a nostalgickými vzpomínkami. Ne každého ale mihotání plamenů potěší. Konstruktéři raketových motorů by mohli vyprávět o generovaných zvukových vlnách, následující termoakustické nestabilitě a zničené spalovací komoře. Pro praktické využití je nestabilita plamene související s jeho mihotáním a s tím spojenou ztrátou energie v naprosté většině případů nežádoucím jevem. Existuje mnoho metod, které umožňují plamen alespoň částečně stabilizovat. O jedné z nich, která byla publikována letos, si v tomto bulletinu povíme.

Mihotající plameny. Dovolená s dalekohledem 2019. Zdroj: DsD, AGA.

Nestabilita výměnná – nestabilita, při níž gradient tlaku způsobí přeskupení látky, které způsobí snížení vnitřní energie tekutiny. Tekutina se tím stane nestabilní. Nestabilita Rayleighova-Taylorova – nestabilita vznikající na rozhraní dvou tekutin s různou hustotou, které se nacházejí v gravitačním poli (řidší tekutina je „pod“ hustší). Malé poruchy se budou zvětšovat, hustší (těžší) tekutina bude klesat do řidší (lehčí) tekutiny a dojde k charakterictickému mísení. V astronomii je ji možno pozorovat při prostupu záření hvězd skrze plynová oblaka. Nestabilita se vyvíjí do podoby Rayleighových-Taylorových prstů, střídajících se hustších a řidších oblastí, ve kterých tekutiny proudí opačným směrem a připomínají prsty. Nestabilitu poprvé popsal lord Rayleigh (1842–1919) a později zobecnil Geoffrey Ingram Taylor (1886–1975). Nestabilita Kelvinova-Helmholtzova – nestabilita tekutiny rozvíjející se na rozhraní dvou prostředí s různou rychlostí (například vítr na vodní hladině). Někdy dochází k vytváření typických vírů či turbulencí. Je pojmenována po anglickém fyzikovi lordu Kelvinovi (1824–1907) a německém fyzikovi Hermannu von Helmholtzovi (1821–1894).

Plamen

Plamen vzniká hořením, exotermickou chemickou reakcí, při níž se uvolňuje značné množství energie ve formě tepla. Tato energie následně udržuje přirozené hoření. Plamen svíčky či plamen u táboráku není plazmatemPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství., jak se často traduje. Teplota je totiž příliš nízká, jen slabě přes 1 000 °C, a s ní spojená ionizace velmi malá. Nicméně nabité ionty v plameni přítomné jsou. Podstatným znakem plazmatu je ale i kolektivní chování, tj. společná odezva částic na elektromagnetická pole. K tomu musí být dostatek částic v tzv. Debyeově sféřeDebyeova délka – typická vzdálenost v plazmatu, ve které je potenciál bodového náboje odstíněn v poměru 1/e. – oblasti do níž částice vnímá okolí jako částice, za touto hranicí splývají v jeden celek a vzdálenější náboje jsou odstíněny. Aby plazma mělo kolektivní chování, je tedy nutná i dostatečná hustota nabitých částic a tu plamen rozhodně nemá. Něco jiného je například obloukový výboj při sváření nebo dokonce kanál blesku, kde je teplota 30 000 °C a ionizace i koncentrace částic je dostatečná.

Mihotání plamene je určitou formou nestability spojenou s rozkmitáním rozhraní mezi horkou oblastí plamene a chladným okolím a s výměnou energie s okolím. Typické frekvence mihotání u průmyslových hořáků se pohybují mezi deseti a dvaceti hertzy. K nestabilitám souvisejícím s rozhraním patří Rayleighova-Taylorova nestabilitaNestabilita Rayleighova-Taylorova – nestabilita vznikající na rozhraní dvou tekutin s různou hustotou, které se nacházejí v gravitačním poli (řidší tekutina je „pod“ hustší). Malé poruchy se budou zvětšovat, hustší (těžší) tekutina bude klesat do řidší (lehčí) tekutiny a dojde k charakterictickému mísení. V astronomii je ji možno pozorovat při prostupu záření hvězd skrze plynová oblaka. Nestabilita se vyvíjí do podoby Rayleighových-Taylorových prstů, střídajících se hustších a řidších oblastí, ve kterých tekutiny proudí opačným směrem a připomínají prsty. Nestabilitu poprvé popsal lord Rayleigh (1842–1919) a později zobecnil Geoffrey Ingram Taylor (1886–1975). (hřib atomové bomby) nebo Kelvinova-Helmholtzova nestabilitaNestabilita Kelvinova-Helmholtzova – nestabilita tekutiny rozvíjející se na rozhraní dvou prostředí s různou rychlostí (například vítr na vodní hladině). Někdy dochází k vytváření typických vírů či turbulencí. Je pojmenována po anglickém fyzikovi lordu Kelvinovi (1824–1907) a německém fyzikovi Hermannu von Helmholtzovi (1821–1894). (rozvlnění rybníku a vznik vírů vlivem foukajícího větru). Výměna energie je také důležitým faktorem, pokud je přesun látky z aktuální oblasti do jiné doprovázen snížením energie, bude tekutina nestabilní. Hovoříme o tzv. výměnné nestabilitěNestabilita výměnná – nestabilita, při níž gradient tlaku způsobí přeskupení látky, které způsobí snížení vnitřní energie tekutiny. Tekutina se tím stane nestabilní.. Mihotání plamene je tedy možné klasifikovat jako výměnnou nestabilitu s rozhraním.

Ve většině technologií není jediný osamocený plamen, ale celá řada hořáků či oddělených plamenů. Příkladem může být sporák, karma nebo plynový kotel. Pokud jsou jednotlivé plameny blízko u sebe, dojde k jejich vazbě a ke koordinovanému mihotání, které silně závisí na vzdálenosti plamenů. Při malé vzdálenosti způsobí tepelné toky a proudění plynu mezi plameny mihotání ve fázi, pokud jsou naopak plameny dále, dochází k mihotání v protifázi. Existuje určitá kritická vzdálenost, při níž plameny mihotají chvilku ve fázi a chvilku v protifázi. Při přechodu mezi oběma módy se na malou chvíli objeví hoření bez mihotání (hovoříme o tzv. mrtvé zóně). Tato kritická vzdálenost závisí na druhu plamenů a způsobu jejich hoření.

Blízké plameny mihotají ve fázi (nalevo), vzdálenější v protifázi (napravo). Pokud je vzdálenost „tak akorát“, přechází kmity z fáze do protifáze a v mezičase se na chvíli objeví mrtvá zóna bez mihotání (uprostřed). Zdroj: X. Ju, PRL.

Numerická simulace časového průběhu mihotání metanového hořáku s obtékáním. Znázorněny jsou izotermy, zleva doprava roste čas od 0 do 0,16 sekundy. šířka numerického pole odpovídá 2 cm, výška 12,5 cm. Zdroj: F. Takahashi, NASA, NIST.

Stabilizace plamene

Stabilní nemihotající plamen je pro mnoho technologií klíčovým prvkem. Proto již desítky let probíhá výzkum různých možností stabilizace plamene. K nejjednodušším variantám patří snížení okolního tlaku, které v některých případech plamen stabilizuje, ne vždy je ale možné snížení tlaku v okolí provést. Mihotání je také menší v prostředí mikrogravitace, tedy například na oběžné dráze. Je to zajímavý poznatek, ale většinu technologií bohužel provozujeme na Zemi, takže je tato metoda nepoužitelná. Nadějné je obtékání plamene dalším proudícím médiem, například plynem vypouštěným z trubičky kolem hořáku. Vysokorychlostní kamery ukázaly, že při určité rychlosti obtékajícího plynu dojde k oddělení vrchní (mihotající) části plamene, takže zůstane jen jeho klidné jádro. Tato technika se testuje v mnoha výzkumných laboratořích.

Na počátku roku 2023 publikovala skupina vědců z Technologické univerzity v Tojohaši, vedená Yuji Nakamurou, další slibnou metodu. V laboratoři testovali chování dvou hořáků, z nichž jeden byl pohyblivý ve vodorovném směru, takže mohli měnit vzdálenost od druhého hořáku. Tým zkoumal, jak se chová plamen v okolí kritické vzdálenosti. Vědci zjistili, že pokud se pohyblivý hořák hýbe vhodnou rychlostí sem a tam kolem kritické vzdálenosti, kde se mění mihotání v protifázi na mihotání ve fázi, dojde k prodloužení mrtvé zóny na velmi dlouhou, až neomezenou dobu. Nově objevená metoda stabilizace plamenu má řadu výhod: především funguje za normálního tlaku a za normální gravitace a navíc je stabilizace tímto způsobem podpořena teoretickými pracemi věnovanými dynamické vazbě dvou oscilátorů.

Schéma laboratorního zařízení, které umožňuje vzájemný pohyb dvou hořáků.
Zdroj: Xiaovu Ju, Technologická univerzita v Tojohaši, PRA.

Nová metoda může nalézt využití v pecích na zpracování kovů či skla, ve spalovacích komorách či v tryskových a raketových motorech. Dalším okruhem je oblast paliv bohatých na vodík používaných v plynových turbínách a v dálkové námořní dopravě, kde se spaluje směs čpavku a vodíku. Stabilizace plamene údajně umožní použít vyšší podíl vodíku, a tím snížit množství škodlivých emisí. Ať už je to pravda, či nikoli, zajistí v současné době takové tvrzení v grantové přihlášce vysokou šanci na její přijetí a tedy následné financování tohoto výzkumu.

Odkazy