Водородное пламя: как измерить его скрытую силу экспресс
Ровный лист бумаги кто-то начал сминать. Сначала на нём появляются редкие складки, потом они покрывают всю поверхность — и лист уже не плоский, а шершавый. Примерно так ведёт себя водородное пламя: при спокойном течении газа оно гладкое и наклонено под одним углом, но стоит изменить состав смеси, как поверхность покрывается ячейками и морщинами. Это явление называют термодиффузионной неустойчивостью: лёгкий водород быстро уходит из зоны горения, а тепло распространяется иначе, чем молекулы топлива, и ровный фронт начинает самопроизвольно искривляться.
Учёные закрепили пламя на тонком стержне, чтобы оно не улетало, и направили на него поток заранее перемешанных водорода и воздуха. Пока смесь бедная (водорода мало), пламя остаётся гладким, как натянутая ткань. Но если добавить чуть больше водорода, ниже по течению оно резко переходит в смятое состояние — прямо как бумага, которую скомкали с одного края. По наклону пламени можно вычислить, насколько быстрее оно начало сгорать: угол к потоку становится больше, и это видно на снимках.
Чтобы понять, во сколько раз выросла скорость горения, мало измерить наклон — нужно ещё учесть, насколько увеличилась площадь поверхности пламени из-за морщин. Для этого применили три разных способа оценки площади, и все дали похожий результат. Оказалось, что при очень бедной смеси (соотношение топлива и воздуха 0.35) скорость вырастает в 1.1–1.3 раза, а при чуть более богатой (0.40) — наоборот, падает до 0.8–0.9 от исходной. Это совпадает с теоретическими предсказаниями и компьютерными расчётами.
Такой точный замер важен для двигателей будущего: водород сгорает без сажи и углекислого газа, но его пламя склонно к неустойчивости. Если научиться управлять этим смятием, можно сделать горелки эффективнее и безопаснее. А пока пламя на стержне — как лабораторный лист бумаги, на котором видно каждую складку.
Водород — самый лёгкий газ, и его пламя почти невидимо днём: оно голубое и прозрачное. Поэтому на водородных заводах используют специальные датчики, чтобы вовремя заметить утечку.
В романе «Марсианин» Энди Вейра герой получает воду из водородного топлива, сжигая его с кислородом — но там пламя ведёт себя спокойно, а в реальности оно может неожиданно покрыться ячейками.