強力な電場中に置かれた弱電離プラズマ状態にある燃焼火炎が,その電場強度および交流周波数に対してどのように応答するのか,研究がなされました。パルス電場を外力として炎に印加されました。炎は重力に依存する構造を持つため,炎の水平方向,および,垂直方向に分けて,電場が印加されました。研究を通して,周波数および強度と炎の拡がりの関係(水平方向印加),周波数および強度と炎の自励振動数の関係,周波数と炎の温度変化の関係,周波数と炎の発光の関係,が調べられました。その結果,炎に対して水平方向に印加された外力強度の上昇とともに,炎は両極に引き付けられて扁平な形状に変化し,一定の強度で炎の幅は飽和すること,炎の自励振動は垂直方向に印加された特定の外力周波数に強く影響を受けること,炎に対して水平・垂直のいずれの方向に対しても外力が印加されると,周波数に応じて炎の温度が有意に上昇あるいは下降すること,炎の温度上昇・下降について,発光強度も関係があること,以上が明らかとなりました。
Dynamic behaviours of a flame are experimentally examined via applying an electric potential difference between two parallel electrodes and placing a flame of ethanol between them. Given that a flame behaves as a weakly ionised plasma, the shape of the flame is affected by an external strong electric field. When a strong ac electric field is applied horizontally, i.e., transverse field, and as the applied ac voltage increases, the shape of the flame becomes flat and the width of the inner flame expands and saturates at a specific value. When a strong ac electric field is applied vertically, i.e., axial field, the frequency of the self-excited oscillation is affected by a specific value of the applied frequency. When the frequency of the applied ac voltage changes, temperature and light emission of flame are significantly affected by the applied ac voltage. Furthermore, when the strength of the horizontally applied electric field is further increased, a discharge occurs in the flame, and it is reshaped into an arc plasma. The current signals exhibit background troughs and sudden peaks in the form of spikes. The spectrophotometric curve includes the spectra of both the flames and arc plasma under the arc discharge.
一般的な燃焼火炎はわずかに電離しているめ,電気的な性質を持っています。したがって強力な電磁場中における炎は,電場や磁場から影響を受けます。このような電気的な性質を帯びた粒子のことを「プラズマ」と呼びます。強力な直流電場中に置かれた炎はマイナス極側に引き付けられ,交流電場中に置かれた炎は両極に 引き付けられて扁平な形状に変化します。さらに電場を強めると炎中にアーク放電が生じます。
教育学部の福山隆雄准教授らは,強力な電場中において,炎がどのように振る舞うのか,さらに炎の温度や発光の様子がどのように変化するのか,プラズマ物理学的な観点から研究し,英国科学誌 Scientific Reports (インパクト・ファクター 4.011)において発表しました。
掲載誌:Scientific Reports(published in London,1st November 2019)
https://www.nature.com/articles/s41598-019-50537-x
本研究により,プラズマ科学や燃焼科学の分野において,電磁場による炎の制御(燃焼支援・消火)や,燃焼温度のコントロール等への応用が期待されます。