Travelling Flame

Thema

Wir haben uns mit dem 17. GYPT-Projekt, nämlich ,,The Travelling Flame“, beschäftigt. Die gegebene Aufgabenstellung lautet wie folgt:

„A flame can propagate continuously around a ring-shaped trough containing a thin layer of flammable liquid. Investigate how the characteristics of this travelling flame depend on relevant parameters.“

(Deutsch: „Eine Flamme kann sich kontinuierlich entlang eines ringförmigen Kanals ausbreiten, der eine dünne Schicht einer brennbaren Flüssigkeit enthält. Untersuchen Sie, wie die Eigenschaften dieser wandernden Flamme von relevanten Parametern abhängen.“)

Bei der Travelling Flame handelt es sich um eine Flamme, die sich selbstständig entlang eines ringförmigen Kanals bewegt. Das Besondere daran ist, dass die Flamme über einen längeren Zeitraum bestehen bleibt und sich dabei kontinuierlich fortbewegt. In diesem Projekt haben wir untersucht, welche physikalischen Prozesse dieses Verhalten ermöglichen und wie verschieden Parameter die Geschwindigkeit, Stabilität und Lebensdauer beeinflussen. Dabei spielen insbesondere Wärmeübertragung, Verdampfung und die Ausbreitung der Flamme eine wichtige Rolle.

Theorie

Hintergrund der Theorie

Die Travelling Flame wurde erstmals 2024 von Rudy Stevens beobachtet. Eigentlich wollte er einen Deckel für ein kleines Ökosystem verschließen und nutzte dafür Feuerzeugbenzin. Als er dieses entzündete, bemerkte er ein ungewöhnliches Verhalten der Flamme. Statt sich wie erwartet auszubreiten, bewegte sie sich entlang des Randes des Behälters. Dieses Phänomen machte er später durch ein Video bekannt, das schließlich auch von Steve Mould aufgegriffen und untersucht wurde.

Bei einer Travelling Flame handelt es sich um eine Flamme, deren Verbrennungszone sich entlang eines ringförmigen Kanals bewegt. In diesem Kanal befindet sich eine dünne Schicht einer brennbaren Flüssigkeit. Der Kanal besitzt die Form eines Rings mit rechteckigem Querschnitt.

Wird die Flüssigkeit an einer Stelle entzündet, bleibt die Flamme nicht stationär. Stattdessen verlagert sich der Bereich der Verbrennung ständig weiter, sodass die Flamme scheinbar um den Ring wandert.

Theoretische Grundlagen

Nachdem der Brennspiritus in den Ring gefüllt wurde, beginnt er aufgrund der Umgebungstemperatur zu verdampfen. Über der Flüssigkeit bildet sich dadurch eine Schicht aus Brennstoffdampf. Dieser vermischt sich mit der Luft und dem darin enthaltenen Sauerstoff. Entsteht dabei ein zündfähiges Gemisch und wird genügend Aktivierungsenergie zugeführt, kann eine Flamme entstehen. Während der Verbrennung wird Energie in Form von Wärme freigesetzt. Diese Wärme erwärmt die umliegenden Bereiche und sorgt dafür, dass weiterer Brennspiritus verdampft. Betrachtet man nur diesen Vorgang, würde man erwarten, dass die Flamme den gesamten Ring erfasst und erst erlischt, wenn kein brennbares Gasgemisch mehr vorhanden ist. Genau das wird jedoch nicht beobachtet.

Beobachtung und Fragestellung

Damit eine Flamme brennen kann, müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein: Es werden ein Brennstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle benötigt. In unserem Fall dient der Brennstoffdampf des Brennspiritus als Brennstoff. Wie viel Dampf zur Verfügung steht, hängt von der Verdampfungsrate sowie von der Oberfläche der Flüssigkeit ab. Die Oberfläche der Flüssigkeit im Ringkanal kann mit

A=πb(2r+b)

berechnet werden, wobei (r) den Innenradius und (b) die Breite des Kanals beschreibt.

Der verdampfte Brennstoff vermischt sich mit der umgebenden Luft, die etwa 21% Sauerstoff enthält. Wird dem entstandenen Gasgemisch genügend Energie zugeführt, beispielsweise durch ein Feuerzeug, setzt eine exotherme Verbrennungsreaktion ein. Während der Verbrennung wird Wärme freigesetzt. Diese Wärme kann benachbarte Bereiche des Gasgemisches entzünden, sodass sich die Flamme ausbreitet. Gleichzeitig verdampft durch die Erwärmung weiterer Brennspiritus und liefert neuen Brennstoff für die Reaktion. Betrachtet man nur diese Vorgänge, würde man erwarten, dass die Flamme die gesamte Oberfläche des Rings gleichzeitig erfasst. Stattdessen bleibt die Flamme lokal begrenzt und bewegt sich entlang des Ringkanals. Dadurch haben wir uns gefragt warum die Flamme entlang des Ringkanals brennt, anstatt der gesamten Brennstoffoberfläche. Dazu haben wir 2 Theorien aufgestellt unzawr:

Hypothese 1: Brennstoffdampf ist der begrenzende Faktor

Die erste Hypothese geht davon aus, dass der verfügbare Brennspiritusdampf lokal aufgebraucht wird. Da der Kanal nur eine geringe Breite besitzt, könnte die Flamme den vorhandenen Brennstoffdampf schneller verbrauchen, als neuer Dampf durch Verdunstung nachgeliefert wird. Dadurch würde die Konzentration des Brennstoffs unter den für die Verbrennung notwendigen Wert sinken und die Flamme erlöschen. Nachdem die Flammenfront den Ring umrundet hat, konnte in der Zwischenzeit erneut Brennspiritus verdampfen. Dadurch entsteht wieder ein zündfähiges Gemisch, sodass die Flamme diesen Bereich erneut passieren kann.

Hypothese 2: Sauerstoff ist der begrenzende Faktor

Die zweite Hypothese betrachtet Sauerstoff als begrenzenden Faktor. Bei der Verbrennung wird Sauerstoff verbraucht. Sinkt dessen Konzentration in der Umgebung der Flamme zu stark ab, kann die Reaktion nicht mehr aufrechterhalten werden und die Flamme erlischt. Nach einer gewissen Zeit gelangt jedoch wieder Sauerstoff in diesen Bereich und vermischt sich mit dem Brennspiritusdampf. Dadurch entsteht erneut ein brennbares Gemisch, das eine weitere Verbrennung ermöglicht.

Parameter

Geometrische Paramter:

r = Radius des Kanals

𝑏 = Breite des Kanals

h = Höhe des Kanals

Δh = Abstand zwischen Flüssigkeitsoberfläche und oberes Ende des Kanals

Brennstoffparameter:

T = Temperatur

𝜆 = Verdampfungsrate

V = Brennstoffmenge

Theoretische Flammengeschwindigkeit

Um die Flammengeschwindigkeit $$S_L$$ zu berechnen verwenden wir folgende Formel:

\begin{equation} S_L = \sqrt{a \cdot k} \end{equation}

Versuche (Aufbau, Durchführung, Werte/Erkenntnisse)

Evaporationsrate

Um das Verhalten der Flamme besser verstehen zu können haben wir die Verdampfungsrate unseres Brennspiritusses experimentell bestimmt.

Aufbau

Um diese zu ermitteln wurden 15g Brennspiritus in eine Schale(kleine Pfanne) gegeben und auf eine präzise Wage gestellt (Siehe Abb.

Abb. 4 Bild des experimentellen aufbaus

Durchführung

Die Masse des Brennspiritusses wurde über einen Zeitraum von 15min beobachtet und so der Verlust duch Verdampfung gemessen.

Bestimmung des perfekten Höhe/Breite-Verhältnisses

Aufbau

Um das Verhälltniss zwischen der Breite und der Höhe des Kanals zu bestimmen in dem eine Travelling Flame existieren kann, wurden Kanäle mit einer festen Breite und einer steigenden Höhe verwendet(siehe Abb).

Durchführung

Diese Kanäle wurden auch mit brennspirituss gefüllt und am unteren Ende entzündet. Dann wurde geschaut ab welche Höhe der Travelling Flame Effekt zustande kommt.

Daten

Hier kommen keine Rohdaten sondern möglichst gut ausgewertete Daten rein - Graphen, Ausgleichskurven, etc. mit Fehlerbetrachtung!

Fazit

Eine kurze Zusammenfassung eurer Erkenntnisse.

Erfolge

Teilnahme an BeGYPT

3. Preis in der Regional Runde Jugemd Forscht

Quellen

Eure wichtigsten verwendeten Quellen mit Verweisen im Text!