Зажатый в щели водород начал гореть фрактально

Физики обнаружили, что если поджечь смесь водорода и воздуха в щели толщиной в несколько миллиметров, то фронт горения может распространяться по необычным фрактальным траекториям. Такое поведение вызвано высокой скоростью диффузии молекул водорода и не характерно для других горючих газов, пишут ученые в Physical Review Letters. Полученные результаты имеют не только эстетическую ценность, но также крайне важны для разработки правил хранения водорода и работы с ним в небольших замкнутых объемах, в частности, в топливных элементах.

В качестве безопасных для окружающей среды электроемких и мобильных источников электроэнергии все активнее внедряют водородные топливные ячейки: такие элементы используются для энергоснабжения космических аппаратов, многие страны проводят испытания пассажирских водородных самолетов, специально для водородной техники создают полевые генераторы водорода. Подробнее о принципах работы топливных элементов вы можете прочитать в нашем материале «Химия и ток». Однако при всех достоинствах водородных топливных ячеек, с ними довольно небезопасно работать: молекулы водорода очень маленькие и способны просачиваться в том числе сквозь твердые стенки, что может приводить к утечке газа и последующему возгоранию или взрыву.

Тем не менее, если водорода в газовой смеси мало, то такие смеси не опасны. При атмосферном давлении минимальное содержание водорода, при котором его смесь с кислородом может загореться, — около 4 процентов. Кроме того, реакции горения значительно хуже идут в ограниченном объеме: считается, что возникающее пламя очень быстро гаснет из-за ограниченной диффузии. Однако особенности процессов воспламенения и горения водорода в смеси с воздухом в ограниченных пространствах и при небольшом содержании топлива практически не изучались, а именно такие ситуации весьма вероятны в топливных элементах в результате утечек.

Физики из Испании и Германии под руководством Марио Санчеса-Санса (Mario Sánchez-Sanz) из Мадридского университета имени Карлоса III решили разобраться, насколько быстро может на самом деле распространяться пламя, возникшее при возгорании смеси водорода и воздуха, зажатой в узкой щели. Для этого ученые провели такой эксперимент: в небольшой зазор между двумя плоскими прозрачными пластинами (ширина зазора от 1 до 6 миллиметров) подавали смесь водорода и воздуха с различным содержанием водорода (до 15 процентов) и поджигали ее. Затем с помощью высокоскоростной камеры фиксировали траектории распространения пламени между пластинами — проще всего это сделать по следам сконденсировавшейся воды, которая образовалась в результате реакции между водородом и кислородом.

Выяснилось, что в щелях уже шести миллиметров фронт горения принимает очень нестандартную форму. Обычная непрерывная поверхность распространения пламени распадается на отдельные ячейки, которые довольно медленно двигаются по собственным траекториям (число Рейнольдса составляет около 30, то есть движение среды происходит в ламинарном режиме без возникновения турбулентностей). В зависимости от количества водорода в смеси и ширины зазора между пластинами эти траектории могут быть прямыми или ветвиться, образуя сложные фрактальные узоры.

Ученые выделили три режима горения: с непрерывным фронтом — для сравнительно широких щелей и большого содержания водорода, с прямолинейными траекториями отдельных очагов возгорания — для самых узких щелей, и со сложными ветвящимися фрактальными траекториями — для промежуточных значений. Чтобы фронт возгорания стал распространяться по фрактальной траектории, в газовой смеси должно быть от 4 до 10 процентов водорода в зависимости от толщины щели и расположения точки начала возгорания.

Для детального изучения механизма возникновения таких необычных траекторий возгорания физики смоделировали процесс возгорания численно и показали, что ветвление траекторий связано с очень маленькой массой молекул водорода и высокой скоростью их диффузии. Благодаря этому в процессе горения водород успевает создать фронт с максимальной площадью и ускорить теплоотдачу. Оказалось, что в ограниченном объеме стремление увеличить площадь горения в условиях быстрой диффузии молекул горючего газа приводит к появлению точек бифуркации на траектории фронта горения и возникновению фрактальных узоров с размерностью 1,7. Аналогичные траектории характерны, например, для бактерий, которые перемещаются в поисках пищи.

Для подтверждения гипотезы ученые провели аналогичный эксперимент с более тяжелым горючими веществами: метаном и диметиловым эфиром — и ни у одного другого соединения такого поведения не зафиксировали. Авторы работы отмечают, что открытие необычного режима горения водорода в ограниченном пространстве должно стимулировать дальнейшие исследования в этой области. Результаты таких исследований необходимы для разработки правил работы с водородом в небольших замкнутых объемах, в том числе и в топливных элементах.

Исследование процессов горения различных веществ актуально для разработки и других видов экологичного топлива, использование которого не приводит к образованию углекислого газа. Например, недавно специалисты Университета Макгилла и Airbus занялись исследованием горения топлива на основе металлического порошка в условиях микрогравитации. Изучение движения фронта горения газа может оказаться полезным и при исследовании астрофизических явлений. В частности, недавно ученые показали важность вклада турбулентности в инициации горения в сверхзвуковой ударной волне — это может прояснить даже детали вспышек сверхновых.

Александр Дубов