太空中的火焰设计可能会导致无烟火灾

几十年来,科学家们已经能够在火焰中燃烧燃料而不产生任何烟尘,他们认为他们知道为什么。他们对这些数据进行了分析,并在高科技设备上进行了实验,但只有一种方法可以确定火焰和煤烟之间的基本关系:

他们必须在太空生火。

为此,目前在国际空间站(ISS)工作的宇航员克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)已经开始进行实验,允许研究人员远程点燃火焰,然后观察和研究火焰的性质。她预计将创造女性最长太空飞行的纪录。如果实验能显示出地球上的研究人员所期望的结果,这将导致对燃烧特性的一个全新的、基本的理解。

Axelbaum

Stifel &公司的Richard Axelbaum说:“我们将测量煤烟,评估火焰的强度,火焰产生的辐射以及气体成分和温度,这样我们就能确保我们的预测是正确的。奎内特·延斯是圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院环境工程科学教授。在这个项目上,他将得到马里兰大学教授彼得·桑德兰的帮助。

Axelbaum同时也是清洁煤利用联盟的主席,但是有一件事煤烟是不干净的。

“首先,煤烟是一种污染物。它也可能致癌,所以我们不想吸入太多烟尘。“它可以吸收阳光和热量的星球。“事实上,它是造成大气变暖的第二大因素,仅次于二氧化碳。

A spherical flame burns on the space station一种球形火焰,在国际空间站上产生(在没有浮力的情况下),内部辐射着煤烟颗粒。(照片:理查德·Axelbaum / NASA)

有了足够的氧气,燃烧就能从燃烧的燃料中释放出最大的能量——燃烧效率很高——副产品只有二氧化碳和水。煤烟是不完全燃烧的副产品,当氧气无法燃烧时就会产生。例如,在蜡烛火焰中,柔和的黄色辉光是由火焰内部产生的煤烟颗粒加热到高温产生的

对许多人来说,燃烧是最熟悉的火,它是蜡烛或营火。燃料在主要由氮气组成的大气中发生反应——我们呼吸的空气中大约78%是氮气,21%是氧气,还有少量其他各种气体。熟悉的黄色辉光表明这些火焰中正在形成烟灰。

阿克塞尔鲍姆说:“但是,如果我把空气中的氮拿出来,放进燃料里,你仍然可以得到同样的氮氧混合燃料,但是它会极大地改变火焰的结构。“相同的成分以相同的比例,但混合方式不同,完全抑制了燃烧过程中煤烟的形成。

“我们称这种火焰设计为火焰设计,因为你使用的是相同的成分,但如果设计良好,就会产生本质上永远不会产生烟灰的条件。

阿克塞尔鲍姆说:“与此同时,火焰更强,使它更难以局部熄灭,这将导致不完全燃烧和污染。”“所以这是火焰设计的两个非常好的结果。”

那么为什么要在太空生火呢?

自从人类开始生火以来,关于燃烧的本质仍有许多悬而未决的问题。首先,对于这种燃烧方式为何会产生无法产生烟尘的火焰,存在相互矛盾的理论。

“这是一个根本性的问题,”阿克塞尔鲍姆说。有一种理论认为,答案与流场有关,尤其是火焰中气体的流动。另一种由Axelbaum提出的理论是,烟灰抑制与火焰结构的内在特性有关,而与流体流动无关。如果是这样,这对于我们在燃烧过程中如何抑制煤烟具有重要的意义。

阿克塞尔鲍姆说:“在地球上,如果你有火焰,比如说蜡烛,火焰的形状总是上升的。“这是因为火焰中的热气体没有周围气体的密度大,所以它们会上升,就像热气球一样。因此,我们无法系统地控制地球上的这种流动。”

在微重力环境中——重力6037s效应明显弱于地球——火焰不会向上流动。事实上,艾克斯鲍姆在国际空间站上的实验中的火焰形成了球体。

如果无烟燃烧是流场的一个函数,那么在微重力下,同样的氧气和氮气混合燃料也会产生烟灰。但是,如果烟灰的抑制与火焰结构固有的特性有关,研究人员应该在太空中看到同样的情况——没有烟灰。

研究人员还将能够测量火焰持续的时间,这表明它有多强。同样,由于火焰的结构,他们希望它比混合氮气和氧气(空气)燃烧的火焰更强。

阿克塞尔鲍姆说:“我们将前往太空进行基础研究,以加深对燃烧科学的理解。”

他说:“我们进入太空是为了获得一个受控的环境,这个环境不同于我们在这里的环境。”“我们获得的知识可以转化为地球上正在发生的事情,从而产生更环保的燃烧。”


华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)通过一种新的融合范式,专注于智力方面的努力,并以优势为基础,尤其是在医学与健康、能源与环境、创业与安全等领域。96.5终身/终身和33个额外的全职教员,1300名本科生,1200名研究生和20000名校友,我们正在利用我们的伙伴关系与学术和行业合作伙伴——跨学科和世界各地,为解决21世纪最伟大的全球性挑战。
这项研究得到了NASA的支持,批准号为NNX15AC75A

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2019/05/flame-design-in-space-may-lead-to-soot-free-fire/

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