De nouvelles visualisations 3D qui révèlent comment les flammes réagissent aux champs électriques pourraient aider à améliorer l'efficacité de la combustion et à réduire la pollution.

La capacité de contrôler avec précision les flammes pourrait conduire à une plus grande efficacité énergétique et à moins d'émissions nocives provenant des transports et de l'industrie. Les flammes contiennent des ions chargés et des électrons, qui peut être manipulé à l'aide de l'électricité. Les chercheurs de KAUST ont maintenant produit les premières visualisations 3D détaillées des vents ioniques s'échappant d'une flamme en réponse à des champs électriques directs (DC) et alternatifs (AC).

Minsuk Cha et ses collègues ont précédemment développé un modèle théorique expliquant comment les ions d'une flamme réagissent aux champs électriques. Pour leur dernier travail, les chercheurs ont éjecté un mélange de méthane et d'air à travers une buse à jet de flamme placée entre deux électrodes. Ils ont illuminé la flamme à l'aide d'un laser argon-ion et détecté la lumière diffusée afin de suivre le mouvement des particules individuelles à travers la flamme, une technique appelée vélocimétrie par image de particules ou PIV. Pour améliorer cette visualisation, ils devaient ajouter à l'ensemencement des particules réfléchissant la flamme à base d'oxyde de titane et d'huile.

"L'ensemencement des particules dans la flamme ambiante était assez difficile, " dit Cha. "Nous avons utilisé un générateur de fumée, mais nous avons dû contrôler très soigneusement le moment de la génération de fumée afin de ne pas perturber le flux principal. C'était une étape qui a demandé beaucoup de temps et de patience."

Les chercheurs ont acquis des images qui révèlent des détails sans précédent sur la façon dont la dynamique des flammes réagit à l'électricité. Quand ils ont utilisé un champ DC, la flamme se pencha visuellement vers l'électrode négative parce que les ions positifs (qui sont largement plus nombreux que les ions négatifs dans la flamme) étaient attirés de cette façon (voir image).

Contre-intuitivement, cependant, le vent ionique soufflait vers les deux électrodes, indiquant un rôle important pour les ions négatifs. Dans un champ AC, la dynamique du vent ionique dépend de la fréquence alternative appliquée, mais seulement aux basses fréquences. Ces vents ioniques pourraient influencer le processus de combustion en permettant une redistribution contrôlée de la chaleur et des produits de combustion par convection.

Cha dit qu'il espère que ce travail pourrait avoir un impact très positif sur la conception future des machines génératrices de flammes. Plus important encore, cela ne nécessiterait pas la construction d'équipements industriels entièrement nouveaux, comme l'explique Cha :

« La beauté de cette méthode est qu'elle peut être installée ultérieurement - elle peut être ajoutée en tant que méthode de contrôle actif pour tout système de combustion préexistant. Selon la configuration du système et le type de combustion que nous devons contrôler, nous pourrions utiliser nos connaissances et notre compréhension pour déterminer les emplacements appropriés des électrodes et choisir les meilleurs paramètres opérationnels, comme la tension ou la fréquence.