普渡大学的创新使用电场和电极配置来操纵火焰的形状和热量释放

正在申请专利的创新应用包括电器、燃气轮机和工业燃烧器

印第安纳州西拉斐特——当火焰以毫秒为单位改变形状时，其散热和稳定性都会受到影响。普渡大学的研究人员创造了正在申请专利的方法，使用电场和电极配置来控制火焰的热量释放，从而动态操纵火焰——从稳定到振荡再到搅拌。

这些创新可以使制造用于飞机发动机和发电的燃气轮机、家用炉子和热水器等电器以及许多类型的工业燃烧器的公司受益。

盖伦·金（Galen King）和达斯汀·克鲁斯（Dustin Cruise）是最早对锚点进行研究的人之一，他们巧妙地改变了火焰的形状并操纵了其热量释放。King是机械工程学院的名誉教授;克鲁斯在金的指导下获得了硕士和博士学位。

关于电场火焰操纵的研究已在 2023 年美国航空航天学会科技论坛和博览会以及燃烧研究所西部各州分会 2023 年秋季会议上发表。

机械工程学院的 YouTube 频道上有一段显示使用普渡方法操纵火焰的视频。

为什么火焰稳定性很重要

全球能源供应主要由化石燃料的燃烧来满足，化石燃料也是温室气体排放的主要来源。减少排放的解决方案会降低火焰稳定性。

“缺乏火焰稳定性会导致火焰在运行过程中熄灭，这在飞机发动机等应用中会产生严重后果，”克鲁斯说。“火焰稳定性问题还会导致更多的排放、燃烧器或燃烧器过早失效以及噪音过大。”

在工业或住宅产品的产品设计阶段预测火焰稳定性问题具有挑战性。

“在生产前测试或以后发现问题，通过重新设计解决的成本高得令人望而却步，因此唯一的解决方案是避免触发稳定性问题的操作条件，”克鲁斯说。“但这在稳定火焰和减少排放之间产生了权衡。”

普渡大学的第一个突破

King’s 和 Cruise 的创新利用了火焰中的带电粒子：正离子和负离子和电子。这些创新使用施加的电场和电极，通过电流体动力学效应为火焰创建多个锚点。锚点是火焰稳定的位置。电极足够小，在电场关闭时不会干扰火焰。

“创建锚点会显着改变火焰的形状和内部体积。这允许一种影响火焰热量释放的新方法，“克鲁斯说。“影响热量释放并对其进行一些控制可以抑制热声不稳定性 – 火焰不受控制的振荡。

King说：“如果你在火焰上有多个锚点，就像由多个电极产生的那样，当你改变电场时，你可以有一个准线性的变化。这允许您实现基于该电场的控制器，从而改变火焰的热量释放，进而抑制热声不稳定性。

这些创新还允许用户有目的地驱动不稳定性和振荡，以增加火焰的传热，从而产生更高效、更好的热交换器。

King’s 和 Cruise 的新颖创新不需要移动部件，使其比传统的机械执行器设计具有更高的可靠性。

电极设计和配置的创新

King和Cruise在他们最初的突破的基础上，创造了更复杂的电极设计，从而可以更复杂、更好地控制火焰。他们还创造了电极对，可以从火焰中移除所有电极。

“在最初的突破中，金属电极在火焰中。对于许多工业应用来说，这是不可接受的：电极会随着时间的推移而腐蚀并干扰火焰和气体流动，“克鲁斯说。新的电极排列，称为相邻电极配置，将所有电极构建到燃烧器的表面。

相邻电极配置的优点包括：

• 在燃烧器或燃烧器周围放置电极的位置具有更大的灵活性。
• 允许多个独立控制的电极对，因此火焰的一部分可以与另一部分不同地控制。

该配置采用机械简单的设计，没有活动部件，可以由廉价的现代电子设备制成。它需要极低的功耗才能运行。

“对于3,400瓦的火力火焰，只需要0.040瓦的电力来稳定它，”克鲁斯说。“这比其他提议的火焰致动器少 100 倍。”

产生效果的简单性和低电功率要求允许使用廉价的电子元件。

“对于像住宅炉子或热水器这样的应用，电极和高压电子设备的总成本在1美元到5美元之间，”克鲁斯说。“低成本将允许将先进的燃烧控制应用于成本最敏感的应用。

King和Cruise向普渡大学创新技术商业化办公室披露了他们的创新成果，该办公室已通过美国专利商标局申请专利以保护知识产权。有兴趣开发或商业化这项工作的行业合作伙伴应联系 Jacob Brejcha，[email protected] 的物理科学许可助理，了解跟踪代码 70043、70337 和 70476。

关于普渡大学

普渡大学是一所公共研究机构，在规模上表现出卓越的表现。普渡大学跻身美国前 10 名公立大学之列，其中两所大学进入美国前四名，普渡大学以首屈一指的质量和规模发现和传播知识。超过 105,000 名学生在普渡大学学习各种模式和地点，其中包括近 50,000 名在西拉斐特校区亲自学习的学生。普渡大学的主校区致力于可负担性和可及性，已连续 13 年冻结学费。了解普渡大学如何永不停歇地追求下一个巨大飞跃，包括其在印第安纳波利斯的第一个综合性城市校园、新的 Mitchell E. Daniels， Jr. 商学院和 Purdue Computes——在 https://www.purdue.edu/president/strategic-initiatives。

关于普渡大学创新技术商业化办公室

普渡大学创新技术商业化办公室运营着美国领先研究型大学中最全面的技术转让计划之一，该办公室提供的服务支持普渡大学的经济发展计划，并通过商业化、许可和保护普渡大学的知识产权使大学的学术活动受益。在 2023 财年，该办公室报告了 150 笔交易，签署了 203 项技术，收到了 400 项披露，并颁发了 218 项美国专利。该办公室由普渡大学研究基金会管理，该基金会获得了公立和赠地大学协会颁发的2019年创新与经济繁荣大学奖。2020 年，IPWatchdog Institute 将普渡大学在创业创建方面排名全国第三，在专利方面排名前 20 位。普渡大学研究基金会是一个私人的非营利性基金会，旨在推进普渡大学的使命。有关详细信息，请与 [email protected] 联系。

撰稿人/媒体联系人： 史蒂夫·马丁，[email protected]

来源： 达斯汀·克鲁斯，[email protected]

盖伦·金，[email protected]