De wondere wereld van bolvlammen, donuts en hoefijzers

Links een bolvlam in de vorm van een donut. Rechts een bolvlam die de vorm heeft van een hoefijzer.

Je hoeft geen expert in verbranding te zijn, om te begrijpen dat, wanneer je een mengsel van brandstof en lucht aansteekt, de vlammen zich zullen ‘voortplanten’. Zuurstof reageert met brandstof in de vlam, warmte komt vrij en ontsteekt het mengsel naast de vlam, enzovoort. Het gebeurt in het gasfornuis in je keuken, in een cilinder van je automotor, en in een gasturbine in een elektriciteitscentrale.

Maar zelfs verbrandingswetenschappers staan voor een raadsel wanneer ze voor het eerst een bolvlam zien. “Een bolvlam is een minuscuul lichtgevend bolvormig vlammetje, dat vrijwel onbeperkt dezelfde grootte en vorm behoudt”, legt Philip de Goey, hoofd van de groep Combustion Technology aan de TU/e, uit. “Het ziet eruit als iets dat niet kan. Hij groeit niet, terwijl er toch voldoende brandstofmengsel in de buurt is, en hij dooft ook niet, ook al zit er geen brandstof in.”

Het geheim van de bolvlam is dat het een zogenaamde diffusievlam is. De verbranding wordt op gang gehouden door een voortdurende toevoer van zuurstof en brandstof vanuit het omringende mengsel. Ook de vrijgekomen warmte wordt door diffusie aan het omringende mengsel afgegeven, waarbij een fractie door straling verdwijnt. Door dit warmteverlies is de bolvlam niet in staat het omringende mengsel te ontsteken en zich uit te breiden. Dit maakt hem stabiel.

Zwak en breekbaar
Bolvlammen werden al in 1943 voorspeld door Drozdov en Zeldovich, maar werden lange tijd beschouwd als een theoretische curiositeit, omdat niemand ze ooit echt had gezien. De reden hiervoor is dat de meeste verbrandingslabs zich op aarde bevinden, en dus, zoals alles op aarde, onderhevig zijn aan de zwaartekracht.

In theorie mag een brandbaar mengsel niet bewegen om een bolvlam te laten bestaan. Vlammen hier op aarde hebben echter de neiging opwaartse convectiestromen te genereren als gevolg van krachten die op het hete verbrandingsproduct werken, zoals bijvoorbeeld in kaarsen. Terwijl deze natuurlijke convectie kaarsen helpt te branden, is een bolvlam te zwak en te breekbaar om dit te overleven.

Pas in 1990, toen experimenten met gewichtloze verbranding mogelijk werden, werden bolvlammen voor het eerst experimenteel ontdekt door Paul Ronney. Dergelijke experimenten werden uitgevoerd in vrij vallende opstellingen die men van hoge torens liet vallen; of aan boord van vliegtuigen met een parabolische baan – een soort vliegende achtbaan, waar men zich ook gewichtloos kan voelen, zij het voor kortere tijd.

Bij experimenten met zogenaamde arme limietmengsels – mengsels die zeer kleine hoeveelheden brandstof bevatten en die nauwelijks kunnen branden – nam Paul Ronny meerdere bolvlammen van 5-10 mm waar in een mengsel van waterstof en lucht.

Waarom bolvlammen ertoe doen
Al snel na de ontdekking zagen onderzoekers het potentiële belang in bolvlammen. Ten eerste zijn dergelijke vlammen veel koeler dan andere vlammen. Ook zijn ze zeer gevoelig voor kleine veranderingen in de omstandigheden waarin ze branden. Dit maakt een bolvlam uitstekend geschikt voor het valideren van theoretische verbrandingsmodellen. Een dergelijke validatie is vooral van belang bij moderne verbrandingstechnieken, waarbij steeds vaker gebruikt wordt gemaakt van mengsels met lage concentraties brandstof. Deze zogenaamde arme mengsels hebben de neiging om koelere vlammen te genereren die minder stikstofoxiden (NOx) produceren. En vlammenballen zijn de armst mogelijke vlammen.

Ten tweede kunnen bolvlammen overleven in de armste mengsels die nog kunnen branden – als er minder brandstof in de lucht aanwezig is, is er geen verbranding meer mogelijk. De uiterste grenzen waarbij vlammen kunnen bestaan, zijn belangrijk voor de ontwikkeling van veiligheidsnormen en voor het ontwerp van verbrandingstoestellen.

Tenslotte kan de bestudering van bolvlammen ons helpen de verbrandingsmechanismen van arme waterstofmengsels beter te begrijpen. Waterstof maakt grote kans om de ‘groene’ brandstof van de toekomst te worden, en arme verbranding wordt beschouwd als de toekomst van de verbrandingstechnologieën.

De bolvlammen landen op aarde
Het is dan ook geen wonder dat de ontdekking van de bolvlammen de aanzet gaf tot verder intensief theoretisch en experimenteel onderzoek. Er werden zelfs experimenten uitgevoerd in het internationale ruimtestation (ISS), waar de ‘microzwaartekracht’ optimaal en permanent is. Uitgebreide metingen in dergelijke omstandigheden zijn echter niet mogelijk, vanwege de hoge kosten en de beperkte mogelijkheden voor experimentele diagnostiek.

Dat veranderde toen de bolvlammen aan de grond werden gebracht door TU/e-onderzoeker Yuriy Shoshin, werkzaam binnen de groep Combustion Technology van Philip de Goey. Net als bij de ‘gewichtloze’ bolvlammen ontdekte Shoshin zijn ‘aardse’ bolvlammen bij toeval, toen hij experimenten uitvoerde met extreem arme waterstofmengsels.

“Toen we een verticale glazen buis vulden met een mengsel met waterstof en het vanaf de onderkant aanstaken, zagen we bijna perfecte lichtgevende ballen die langzaam naar de bovenkant van de buis stegen”, zegt Shoshin. Het bleek dat de door de vlam veroorzaakte opwaartse krachten een kleine werveling creëren waarin de lichtgevende bol zich bevindt. Dus in plaats van de vlam te vernietigen, zoals het geval was in eerdere experimenten, zorgt de door de zwaartekracht veroorzaakte convectie onder geschikte omstandigheden er juist voor dat de vlam blijft branden.

Levende cellen
Verdere intensieve experimenten en numerieke studies leidden tot tal van nieuwe inzichten in de werking van arme waterstofvlammen, zegt Shoshin “Zo ontdekten we onder andere dat wanneer een brandstofmengsel naar beneden stroomt door een poreuze plaat in een brede buis, er meerdere bolvlammetjes ontstaan die zich verrassend genoeg gedragen als levende cellen, dramatisch ‘vechtend om het leven’.”

“De bollen concurreren met elkaar om brandstof zoals voedsel, telkens van richting veranderend als er nieuwe brandstof beschikbaar komt. Als een bolvlam het geluk heeft een plek te vinden met een overvloed aan brandstof, splitst hij zich in tweeën, net als een levende cel. Cellen die omringd zijn door meer succesvolle concurrenten hebben minder geluk, en vergaan. Ze kunnen de neerwaartse gasstroom niet langer weerstaan door zelfopgewekt drijfvermogen. Deze ongelukkige vlammetjes worden door de stroming van het gas van hun brandstofbron verwijderd en ‘sterven’ uiteindelijk van de honger.”

Donuts en hoefijzers
Het feit dat bolvlammen bestaan in een wervel gaf aanleiding tot het idee dat vlammen met soortgelijke verbrandingsmechanismen ook kunnen ontstaan in andere omstandigheden, waar wervels aanwezig zijn. “En inderdaad hebben we in verdere experimenten andere soorten vlammen gevonden die op een soortgelijke manier branden, in de vorm van donuts en hoefijzers.”

Dergelijke vlammen vormen zich rond zogenaamde vortex-filamenten, lijnen waar gas omheen draait. In de gewone apparaten vindt verbranding bijna altijd plaats in turbulente mengsels, en het is bekend dat dergelijke soort filamenten aanwezig zijn in turbulent gas. “We hopen dat het bestuderen van dergelijke vlammen kan helpen om turbulente vlammen in arme waterstofmengsels te begrijpen”, zegt Shoshin.

Dergelijke studies kunnen ook relevant zijn voor vlamstabilisatie. “Vlammen moeten stabiel zijn om bruikbaar te zijn in huishoudelijke boilers of gascentrales, en de meest gebruikelijke manier om vlammen te stabiliseren is het creëren van een draaikolk achter een of ander obstakel dat in de stroming van het brandbare mengsel is geplaatst.”

Voorbij de theorie
Professor De Goey benadrukt het belang van onderzoek naar vlammenballen onder ‘aardse’ condities. “Bolvlammen in gewichtloze omstandigheden blijven het meest fundamentele en eenvoudige voorbeeld van een bolvlam, maar de bolvlammen en hun aanverwanten die wij in onze groep bestuderen kunnen onder verschillende omstandigheden bestaan. Dat maakt hun fysica veel interessanter, en ook veel relevanter voor andere gebieden van de verbrandingswetenschap.”

“Interessant is dat, ook al waren onze studies voor een groot deel geïnspireerd door de gewichtloze experimenten van Paul Ronney, voor sommige bolvlammen die wij hebben ontdekt in onze laboratoria, de effecten van de zwaartekracht helemaal niet belangrijk blijken te zijn.”

De volgende stap in het onderzoek van De Goey en zijn team is het integreren van het bolvlam-fenomeen in eerdere theorieën over normale vlammen. Maar hun interesse in de raadselachtige bolvlam gaat veel verder dan louter wetenschappelijke nieuwsgierigheid. “Uiteindelijk helpt een volledig begrip van hoe ze werken ons om arme brandstoffen te ontwikkelen die de weg vrijmaken voor een duurzame energietoekomst”, zegt hij.