Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние конвективного теплообмена на пределы распространения пламени 14
1. Пределы распространения пламени в трубах 15
1.1. Тепловая теория. Критический диаметр 15
1.2. Влияние свободной конвекции 23
1.2.1. Распространение пламени по вектору силы тяжести 23
1.2.1.1. Описание модели и сравнение с экспериментом 27
1.2.1.1.1. Модель 27
1.2.1.1.2. Решение уравнений 29
1.2.1.1.3. Сравнение с экспериментом 32
1.2.2. Распространение пламени против вектора силы тяжести 38
1.3. Гашение пламени во вращающемся диске 44
Основные результаты 52
Глава 2. Распространение пламени в узких трубках, диаметр которых больше критического 54
2.1.1 Экспериментальная установка 58
2.1.2. Форма фронта пламени 61
2.1.3. Акустические колебания 65
2.1.4. Видимая скорость 71
2.2. Зависимость нормальной скорости от кривизны и растяжения 77
Основные результаты 86
Глава 3. Горение жидкости в узких трубках в потоке воздуха 88
3.1. Влияние встречного воздушного потока на распространение пламени над горючей жидкостью 91
3.1.1 Эксперимент 91
3.1.2. Результаты и обсуждение 93
3.2. Влияние частоты модуляции скорости воздуха на горение жидкости ... 101
3.2.1. Установка 102
3.2.2. Результаты 103 Основные результаты 114
Глава 4. Экспериментальное и теоретическое исследование режима горения с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического 116
4.1. Возможность газового горения в трубках, диаметр которых меньше критического 117
4.2. Режим с прогревом стенки в трубках из различных материалов 119
4.3. Переход из обычного режима в режим с прогревом стенки в трубках, диаметр которых больше критического 126
4.4. Влияние состава смеси на скорость пламени в режиме с прогревом трубки 132
4.5. Влияние типа горючего 135
4.6. Распределение температуры в стенке трубки 140
4.7. Влияние теплопотерь в окружающую среду 144
4.8. Влияние внешних возмущений на горение в режиме с прогревом стенки 145
4.9. Пределы
4.10. Влияние поверхности на цепные разветвленные реакции 150
4.11. Влияние давления на горение газа в режиме с прогревом стенки 158
4.11.1 .Эксперимент 158
4.11.2. Результаты 160
4.11.3 Измерение нормальной скорости в бомбе постоянного объема 167
4.11.3.1. Установка 167
4.11.3.2. Измерение нормальной скорости по начальному участку
записи давления 168
4.11.3.3. Измерение нормальной скорости по зависимости радиуса очага от времени 172
4.12. Оценочная теоретическая модель горения в режиме с прогревом стенки 176
4.12.1. Физическая модель 176
4.12.2. Основные уравнения и граничные условия 176
4.12.3. Сравнение с экспериментом 181
4.13. Сравнение режима низких скоростей (РНС), наблюдаемого в пористой среде, и режима с прогревом стенки 186
Основные результаты 189
Глава 5. Исследование режима горения в осесимметричном расходящемся газовом потоке внутри зазора между параллельными плоскостями 192
5.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 193
5.1.1. Первая серия экспериментов 193
5.1.2. Вторая серия экспериментов
5.2. Результаты, полученные в первой серии экспериментов 198
5.3. Результаты, полученные во второй серии экспериментов 204
5.4. Численное моделирование
2 5.4.1. Модель 212
5.4.2. Граничные условия
2 5.4.2.1. Газ 214
5.4.2.2. Диски 214
5.5. Результаты численного расчета 215
5.5.1. Калибровка модели 216
5.5.2. Адиабатический случай (нет проскальзывания газа на границе) 217
5.5.3. Неадиабатический случай 218
5.5.4. Возрастание предэкспоненциального множителя в законе Аррениуса вблизи поверхности диска 226
Основные результаты 230
Глава 6. Неустойчивый режим горения в узкой щели. Спиновое горение газа 232
6.1. Газовые вращающиеся пламена 232
6.1.1. Экспериментальная установка 233
6.1.2. Результаты 234
6.2. Спиновое горение в пространстве между двумя дисками 237
6.2.1. Эксперимент 237
6.2.2. Результаты 238
Основные результаты 246
Основные результаты и выводы 247
Литература
- Распространение пламени по вектору силы тяжести
- Акустические колебания
- Влияние частоты модуляции скорости воздуха на горение жидкости
- Влияние теплопотерь в окружающую среду
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с потребностью в миниатюрных и энергоемких источниках питания, миниатюрных горелках и микродвигателях в последнее время активно исследуются процессы горения в микро реакторах. Известно, однако, что существует критический (тушащий) размер канала. Пламя не может проникнуть в каналы размером меньше критического вследствие теплопотерь из фронта пламени в стенки канала. Критический размер канала зависит от типа горючего, его содержания в смеси и имеет большое практическое значение. При проектировании химических реакторов и других устройств необходимо учитывать эти размеры для того, чтобы обеспечить взрывобезопасность устройств. С другой стороны, при создании миниатюрных ректоров желательно, наоборот, организовать горение в реакторах, размер которых меньше критического. В связи с этим исследования газового горения в узких каналах, то есть вблизи пределов, являются очень актуальными.
Отметим еще причины, по которым изучение околопредельных пламен являются актуальными. Во-первых, актуальность вызвана необходимостью решения принципиальных вопросов пожаровзрывобезопасности для разработки научных основ и создания стандартов в области охраны труда, в частности, стандартов по определению показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов, технологических процессов, гражданских зданий и промышленных сооружений. Во-вторых, она вызвана необходимостью обоснованного прогноза пожаровзрывопасности в новых областях человеческой деятельности: освоении космоса; строительстве высотных зданий и сооружений; использовании экстремальных состояний веществ; в операциях с веществами, обладающими уникальными свойствами. В–третьих, интерес к изучению околопредельных пламен обусловлен их чувствительностью к избирательной диффузии, к искривлению и растяжению, к акустическим возмущениям и другим явлениям.
При уменьшении размера канала отношение площади внутренней поверхности к его объёму растет. С одной стороны, это приводит к эффективному охлаждению продуктов сгорания, находящихся в канале, с другой стороны, свежая горючая смесь эффективно прогревается, если стенки канала имеют более высокую температуру. В теоретическом обосновании концепции критического диаметра Я.Б.Зельдович предполагал, что температура стенки постоянна и волна горения распространяется по первоначально покоящемуся горючему газу. При достаточно быстром перемещении пламени по каналу это предположение справедливо. Поток тепла из фронта пламени в стенку канала приводит к уменьшению скорости горения, а если размер канала меньше критического, то и к гашению. Однако при уменьшении скорости пламени относительно стенки канала ситуация может измениться, если продукты горения прогреют стенки канала и свежая смесь, входящая во фронт пламени будет нагреваться от горячей стенки. Это открывает практическую возможность осуществления горения в каналах размером меньше критического.
Цель данной работы. Целью настоящей работы является установление закономерностей и создание моделей околопредельных и предельных явлений, наблюдаемых при распространении газовых пламён. Для достижения данной цели автором проведены детальные исследования:
-
влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени;
-
динамики, структуры и пределов существования пламен, распространяющихся в потоке горючей смеси в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического;
-
переходов из обычного режима (без прогрева стенки) в новый режим с прогревом стенки и обратно;
-
режима и скоростных характеристик пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического;
-
нового режима с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического;
-
режимов горения и условий стабилизации пламени в расходящемся газовом потоке внутри зазора, ширина которого как больше, так и меньше критического.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования. Полученные экспериментальные результаты были проанализированы и обобщены с использованием современных теоретических представлений теплофизики, гидродинамики и химической кинетики. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена комплексным и систематическим характером выполненного исследования, их сопоставлением с результатами, полученными другими исследователями, согласием с общими физическими представлениями о процессах, а также оценкой баланса массы и энергии, когда это возможно. Обоснованность аналитических моделей подтверждается сравнением с современными наиболее достоверными результатами других исследователей, а также хорошим согласием результатов, полученных с использованием этих моделей с экспериментальными результатами данной диссертации. Достоверность результатов численного решения дифференциальных уравнений обусловлена применением хорошо зарекомендовавших себя современных методов.
Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые на момент их публикации:
-
Обнаружено, что в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического при наличии потока горючей смеси существуют два стационарных режима горения: при низких скоростях потока – обычного режима и при высоких скоростях – неизвестного ранее режима c прогревом стенки. Установлены область существования пламени, колебательные явления и другие особенности этих режимов. Для режима с прогревом стенки наблюдается нижний и верхний пределы по расходу горючего газа. На нижнем пределе имеет место плавный переход из этого режима в обычный режим и обратно. На верхнем пределе - скачкообразный переход из режима с прогревом стенки в обычный режим. Показана возможность распространения пламени в более широких концентрационных пределах в каналах в режиме с прогревом стенки, чем в каналах большего диаметра, но в обычном режиме.
-
Получены скоростные и структурные характеристики, а также установлено влияние размеров трубки, материала стенки трубки, состава смеси, типа горючего и давления на скорость пламени в режим с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического. Создана модель процесса.
-
Получены пламена, стабилизированные в расходящемся газовом потоке в щели, размер которой существенно меньше критического, и обнаружены аномально высокие скорости сгорания. Создана двухмерная модель данного процесса.
-
Обнаружены и изучены вращающиеся и спиновые пламена. Установлены условия их существования, скоростные характеристики, природа и особенности этих явлений. Показано, что если вращающиеся пламена локализуются на краю горелки (за пределами щели), то спиновые пламена локализуются внутри щелевого пространства горелки. Первые обусловлены недостаточным поступлением смеси к зоне пламени, вторые – взаимодействием стенки с зоной горения. Обнаружено существование многоголовой структуры вращающихся пламен.
-
На основе развитых представлений о роли гравитационной конвекции в гашении газового пламени аналитически решена задача о критическом условии в области совместного влияния кондуктивного и свободно-конвективного теплообмена. Экспериментально показана независимость предела распространения пламени от диаметра трубы в области параметров, предсказанных теорией.
-
Установлено, что средняя скорость пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического, уменьшается с увеличением скорости набегающего на него воздуха. Обнаружена зависимость скорости пламени от частоты и амплитуды модуляции скорости набегающего на него воздуха.
Практическая и научная ценность работы.
Практическая ценность.
-
Возможность проникновения пламени в каналы, размер которых меньше критического, необходимо учитывать при создании огнепреградителей и оборудования во взрывозащищенном исполнении, а также других устройств, где используется неспособность пламени проникать в узкие каналы.
-
Экспериментально получено, что возможна стабилизация пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического. Этот результат имеет практическое значение с точки зрения создания миниатюрных источников питания, горелок, двигателей и т. д.
Научная ценность.
-
Изучен новый режим распространения пламени – режим с прогревом стенки - в каналах, размер которых близок к критическому.
-
Исследован переход между режимом с прогревом стенки и обычным режимом.
-
При стабилизации пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического обнаружены скорости горения много большие нормальной.
-
Предложено горелочное устройство, представляющее собой два параллельных диска, в пространство между которыми подаётся горючая смесь. В этой горелке возможны разнообразные режимы горения, среди которых и спиновое горение.
-
Исследовано влияние скорости встречного потока окислителя и частоты ее модуляции на среднюю скорость распространения пламени в узком канале над поверхностью жидкости.
На защиту выносятся
-
Результаты экспериментального и теоретического исследования влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени.
-
Результаты экспериментального и теоретического исследования газового горения в узких трубках, размер которых как больше, так и меньше критического.
-
Результаты экспериментального и теоретического исследования газового горения в условиях расходящегося газового потока в щелях, размер которых существенно меньше критического.
-
Результаты экспериментального исследования неустойчивого горения в щелях, размер которых близок к критическому.
-
Результаты экспериментального исследования влияния скорости встречного потока, частоты и амплитуды её модуляции на среднюю скорость распространения пламени в узком канале над жидкостью.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных форумах:
1. Всероссийский Семинар: Динамика Многофазных Сред. Новосибирск. 2000.
2. IV international school-seminar. Minsk. Belarus. 2-7 September. 2001.
3. Международная конференция. Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатика и экология. Томск. 2007
4. International Conference on Methods of Aerophysical Research. ICMAR-2008. Novosibirsk.
5. 7th International seminar on flame structure. Novosibirsk. July 11-19. 2011.
6. Сессия Научного совета РАН по горению и взрыву. “Современное состояние вопроса о пределах распространения пламени в газах”. 11 апреля 2012 г. ИХФ РАН. Москва. Устный доклад.
Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены лично Замащиковым В. В., либо под его руководством. Автор диссертации внес определяющий вклад в постановку задач, проведение экспериментов, обсуждение результатов, формулировку выводов и подготовку публикаций по теме диссертационной работы.
Публикации. Полное количество публикации 51. Результаты настоящей работы изложены в 24-х публикациях, из них 21 статья опубликована в рецензируемых международных и российских журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и шести глав.
Распространение пламени по вектору силы тяжести
Причиной концентрационных пределов распространения пламени, согласно Я. Б. Зельдовичу [1.1], являются теплопотери из фронта пламени. Это представление является не только пионерским, но и принципиально важным с точки зрения развития теории пределов распространения пламени. Следствием этого представления является то, что при интенсификации теплопотерь должны сужаться концентрационные пределы, что и было много раз подвержено экспериментально, например, при распространении пламени в трубе. В этом случае кондуктивные теплопотери в стенку трубы зависят от ее диаметра d и, как следствие, при уменьшении диаметра пределы сужается и, начиная с определенного диаметра, невозможно распространение пламени при любой концентрации топлива. Этот диаметр называется критическим (гасящим) для данного топлива. Критический диаметр зависит от вида горючей смеси. Этот параметр также зависит от начального давления и температуры.
Однако опыты показали, что в трубах, диаметр которых больше критического, концентрационные пределы распространения пламени зависят от направления распространения пламени относительно направления силы тяжести. Этот экспериментальный факт был объяснен влиянием гравитации на распространение пламени. Эксперименты, проведенные в невесомости, показали, что гравитация оказывает существенное влияние на многие процессы, происходящие при горении [1.3]. Влияние свободной конвекции на концентрационные пределы распространении пламени исследовалось в работах [1.4, 1.5]. Было показано [1.5], что пределы зависят от направления распространения пламени. Авторы следующим образом объясняют эту зависимость. Когда пламя движется вверх от открытого конца к закрытому, движение газа будет аксиально симметричным и пламя представляет собой полусферу. Конвекция будет вытягивать центр пламени вверх еще сильней. При этом возрастет площадь пламени и скорость его движения. Влияние конвекции усиливается с увеличением диаметра трубы. Если пламя движется вниз, конвекция приводит, наоборот, к уплощению пламени и уменьшению его поверхности и скорости движения. Таким образом, большая доля выделившегося тепла будет теряться в стенки при распространении вниз, чем вверх. Эта приводит к тому, что пределы шире при распространении вверх.
К таким же выводам приходят авторы [1.6], которые исследовали пределы распространения смесей Н2 с Вг2 в горизонтальной и вертикальной трубе. Они получили зависимость предельного давления от диаметра трубы при распространении пламени вниз и горизонтально.
Поведение пламени вблизи предела распространяющегося снизу вверх изучал Леви [1.7]. Он получил, что на пределе зависимость видимой скорости пламени от ускорения свободного падения g имеет вид: S=0.328(gd)12. Конвективные пределы в ограниченном объеме определялись в [1.8-1.12] при перегрузках [1.13], при повышенных давлениях [1.14], в больших объемах [1.15, 1.16].
Отметим, что есть альтернативная точка зрения на причину концентрационных пределов распространения плоского недеформированного пламени [например, 1.17]. Она состоит в том, что, так как во фронте пламени имеет место лавинообразное образование радикалов, то за критерий предела можно принять условия, при которых гибель радикалов начинает превалировать над их рождением (кинетический критерий). Причем этот критерий во многих случаях дает правильную оценку пределов. Однако теоретические исследования, учитывающие детальную кинетику [1.18], показали, что пределы отсутствуют в случае, когда нет теплопотерь. В этой работе получены зависимости температуры пламени, толщины фронта,
концентрации радикалов в адиабатическом пламени от концентрации азота в смеси метан-азот-кислород. При расчетах отношение метана к кислороду оставалось постоянным. Авторы показали, что пламя существует даже при очень большом разбавлении смеси. Однако на полученных ими зависимостях видно, что есть концентрация азота, начиная с которой резко уменьшается температура пламени, концентрации радикалов и возрастает толщина пламени. Сопоставляя эти результаты с результатами, полученными в работе [1.17], можно утверждать, что при этой концентрации изменяется характер горения, то есть имеет место ситуация, когда процесс перестает носить характер цепно-теплового взрыва. Авторы обеих работ замечают, что при таких концентрациях экспериментально наблюдаются пределы распространения. Напрашивается вывод, что в первом приближении в качестве концентрационных пределов распространения пламени можно считать концентрации, при которых горение перестает носить характер цепно-теплового взрыва (кинетический критерий). Такая оценка справедлива, потому что при достижении этого предела достаточно небольших теплопотерь, чтобы пламя загасло. В обзорной работе [1.19] фактически эта мысль и высказывается. Очевидно, что при экспериментальном определении концентрационных пределов можно получить значения как больше, так и меньше полученных по кинетическому критерию. С учетом этого хорошо объясняются результаты, полученные в [1.17]. Авторы сравнили область существования цепно-теплового взрыва с экспериментальными концентрационными пределами. Полученные ими результаты имеют как большие, так и меньшие по сравнению с экспериментальными, значения. В работе [1.20] авторы теоретически исследовали бедные метано- и пропано-воздушные пламена с учетом детальной кинетики и радиационных теплопотерь. Учет теплопотерь приводит к тому, что наблюдается предел, причем этот предел коррелирует с условием, когда процесс, как уже упоминалось выше, перестает носить характер цепно-теплового взрыва (кинетический критерий). Тепловая теория Я. Б. Зельдовича имеет большое практическое и теоретическое значение. Она позволила объяснить многие экспериментальные результаты, например: существование предельной нормальной скорости, гасящего диаметра трубы и другие. Известно, что нормальная скорость при приближении к пределу не стремится к нулю. Под нормальной скоростью будем понимать скорость распространения фронта горения относительно несгоревшей смеси по нормали к поверхности пламени.
Зельдович [1.21] рассматривал плоское пламя, распространяющееся по трубе. Для простоты считалось, что температура газа одинакова в поперечном сечении трубы и изменяется только вдоль трубы. Причиной уменьшения температуры являются теплопотери в стенки трубы. Рассматривается стационарная задача, поэтому во фронте пламени полная масса вещества не изменяться со временем. То есть масса вещества, входящая в единицу времени во фронт пламени, равна выходящей в единицу времени массе:
Акустические колебания
Прежде всего, отметим, что в тех случаях, когда акустические колебания, порожденные горением, были малы, поверхность пламени при его распространении по трубке если и менялась, то незначительно. Если возбуждались интенсивные акустические колебания, то они усиливались по мере перемещения пламени вдоль трубы, поэтому измерения поверхности пламени, в этом случае, производились на начальном участке, где колебания были еще малы. Обработка видеоматериала показала, что пламя было либо аксиально симметричное, либо имело наклон вследствие свободной конвекции [1.27, с. 253-261] (рис. 2.2). Наклон появляется, когда видимая скорость уменьшается, то есть при достаточно больших расходах. Причем, чем больше внутренний диаметр трубки, тем в большем диапазоне расходов и составов смесей наблюдались наклонные пламена. Поверхности симметричных пламен аппроксимировались частью сферы. Отклонение от сферы наблюдается лишь у стенки трубки, где пламя от нее "отходит", становясь более плоским. Зависимость радиуса этой сферы от расхода горючего газа для симметричных пламен показана на рис. 2.6. Видно, что при существенном изменении расхода кривизна пламени меняется незначительно. На рисунке 2.7 приведены зависимости радиуса фронта пламени от состава смеси для трех трубок. Кривизна пламени хоть и слабо, но зависит от расхода горючего газа (рис. 2.6).
В случае, когда поверхность пламени при его распространении не изменяется, видимые скорости каждой точки пламени одинаковы. Видимая скорость перемещения каждой точки поверхности пламени складывается из нормальной скорости и скорости движения газа в этой точке. Таким образом, форма волны горения определяется зависимостью нормальной скорости и скорости движения газа от радиальной координаты. Представляет интерес выяснить причины зависимости нормальной скорости от радиальной координаты, и как сказывается движение горючего газа на форму волны горения, распространяющейся по узкой трубке. Остановимся на симметричных пламенах. Наклонные пламена возникают вследствие наложения свободной конвекции на те процессы, которые имеют место в симметричных пламенах.
Рассмотрим чувствительность формы фронта пламени к изменению расхода горючего газа (рис. 2.6). Видно, что при изменении скорости горючего газа почти в 6 раз радиус изменяется меньше, чем в 1.2 раза. Это говорит о том, что, скорее всего, именно зависимость нормальной скорости от радиальной координаты играет решающую роль при формировании поверхности горения, во всяком случае, при небольших расходах горючего газа. Нормальная скорость изменяется от стенки трубки к центру, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, из-за того, что диаметр трубок близок критическому, температура во фронте пламени заметно понижается от центра к стенке трубки вследствие теплового потока в стенку. Второй причиной может быть зависимость нормальной скорости от кривизны пламени. Известно, что нормальная скорость зависит от кривизны и эта зависимость изменяется при изменении состава смеси [2.4, 2.17]. Считается, что по этой причине на поверхности богатых пропано-воздушных пламен появляются ячейки [2.4]. В настоящей работе ячейки не наблюдались, но если на формирование поверхности волны горения, распространяющейся по узкой трубке, оказывают влияние процессы, связанные с кривизной, то следовало бы ожидать какие-либо особенности в поведении кривых в богатой области на рисунке 2.7. Сравним поведение кривых для бедных и богатых смесей (стехиометрия 4,02 % об.). При обеднении смеси радиус поверхности пламени заметно уменьшается, тогда как при обогащении он почти не изменяется вплоть до 5%. Можно предположить, что такое поведение радиуса поверхности пламени в богатой области, как раз, и обусловлено зависимостью нормальной скорости от кривизны. Однако следует отметить, что при горении этих смесей наблюдаются наиболее сильные акустические колебания. В связи с этим, несмотря на то, что измерения проводились, когда колебания были ещё незначительны, нельзя полностью исключить их влияния на форму поверхности пламени. Хотя в пользу того, что этот эффект всё таки связан не с колебаниями, говорит тот факт, что такое поведение наблюдается для всех трубок, а амплитуда колебаний сильно зависит от диаметра трубки. Итак, вероятнее всего, зависимость нормальной скорости от кривизны оказывает влияние на формирование формы поверхности горения, однако главную роль здесь, скорей всего, играет изменение нормальной скорости от центра к стенке трубки из-за теплопотерь в стенку трубки. В пользу этого предположения говорит тот факт, что при приближении к концентрационным пределам возрастают теплопотери из фронта пламени и должна увеличиваться его кривизна, что и наблюдается в эксперименте (см. рис. 2.7).
Отметим, что искривление пламени приводит к уменьшению теплопотерь из центральной части и, как. следствие,, к увеличению нормальной скорости по сравнению со случаем не искривлённого пламени. При приближении к концентрационным пределам нормальная скорость уменьшается, при этом теплопотери из фронта пламени возрастают. Пламя дальше отступает от стенки, радиус пламени уменьшается (см. рис. 2.7), температура в центре уменьшается, но не так сильно, чем в случае, если бы кривизна не изменялась. Всё большее искривление пламени при приближении к концентрационным пределам может привести даже к расширению пределов по сравнению со случаем, если бы кривизна пламени не изменялась.
Возникает вопрос об устойчивости симметричного искривленного пламени, распространяющегося в узкой трубке в случае, когда свободная конвекция не играет большой роли. По всей видимости, в узкой трубке устойчивость пламени обусловлена, согласно теории Маркштейна [2.4], не только затуханием малых возмущений. Малые возмущения поверхности пламени могут приводить к нарушению симметрии линий тока газа а, благодаря стенке трубки, возникает сила, стремящаяся восстановить симметрию. Кроме того, при нарушении симметрии изменяются тепловые потоки в стенку трубки, что также может способствовать затуханию малых возмущений, т. е. обеспечивать устойчивость пламени. 2.1.3. Акустические колебания.
Если горение происходит в ограниченном пространстве, то возможно возникновение акустических колебаний пламени. Акустические возмущения, которые всегда порождаются пламенем, отражаясь, вновь воздействуют на пламя. В случае возникновения положительной обратной связи возбуждаются акустические колебания. Критерий Релея указывает на условия, при которых колебания возникают: если между колебательной составляющей теплоподвода и колебательной составляющей давления фазовый сдвиг по абсолютному значению менее л/2, в системе возбуждаются акустические колебания; если этот сдвиг заключен между те/2 и те, то акустические колебания гасятся. Релей рассматривал покоящийся газ. Раушенбах [2.18] показал, что при наличии потока газа возможен еще один механизм возникновения колебаний. Для этого механизма характерно, что энергия акустических колебаний черпается из кинетической энергии газа и для возбуждения колебаний важен сдвиг фаз не между колебательной составляющей теплоподвода и колебательной составляющей давления, а между теплоподводом и скоростью.
Влияние частоты модуляции скорости воздуха на горение жидкости
Причина этой зависимости заключается в том, что с увеличением расхода возрастал перепад глубин перед и за фронтом пламени, и жидкость растекалась. Кроме того, не удавалось воспроизвести два опыта в совершенно равных условиях (с одинаковыми глубинами). Однако необходимо отметить, что в разделе 3.1 было показано, что скорость пламени, если и зависит от глубины, то не сильно. На рис. 3.12 видно, что минимальная скорость ниже скорости, полученной в отсутствии модуляции расхода, а разница в скоростях уменьшается с увеличением расхода. Отметим, что приведенные на рис. 3.12 значения средней скорости пламени для средней скорости газа 38.7 см/с соответствуют скорости пламени перед гашением. То есть после включения модуляции наблюдается гашение пламени, а не выход на стационарное распространение. Обработка всех полученных данных показала, что в том случае, когда гашения не было, минимальные скорости близки к скоростям, полученным без воздействия звука. Таким образом, на частотах модуляции расхода больших характерной собственной частоты колебания пламени, отклик средней скорости пламени на модуляцию выражается в появлении нестационарного участка (для средней скорости пламени), после которого скорость пламени приближается к скорости пламени без модуляции. При достаточно больших амплитудах модуляции наблюдается гашение пламени.
Картина существенно меняется при частоте модуляции, равной 18 Гц. В этом случае также наблюдается гашение, но_уже при амплитудах больше 21 мм. Зависимость усредненной за период колебаний координаты от времени (средняя без учета пульсаций) для случая, когда пламя не гаснет, приведена на рис. 3.13. Видно, что после включения модуляции, пламя после небольшого нестационарного участка распространятся с постоянной большей по величине средней скоростью. Отношения скорости пламени при наличии модуляций к скорости пламени без модуляций, полученные при разных
Зависимости средней скорости пламени от средней скорости набегающего газа полученные при модуляции скорости набегающего на пламя газа и без модуляции. звуком и без звука измерялись за один опыт и затем находились их отношения, то можно рассчитывать на то, что полученные таким образом данные не должны сильно зависеть от температуры. Видно, что средняя скорость пламени возрастает при наличии модуляции почти в 1.8 раза. Скорости пламени при наличии модуляции и без неё при разных средних скоростях потока газа приведены на рис. 3.15. При получении этих данных на динамик подавалась одинаковое напряжение. Глубина жидкости изменялась от опыта к опыту от 2.5 до 3.3 мм. Амплитуда колебаний пламени менялась в диапазоне от 18 до 19.6 мм. Разброс в амплитудах колебаний обусловлен, прежде всего, зависимостью амплитуды при прочих равных условиях от глубины жидкость. Комнатная температура от опыта к опыту изменялась в диапазоне от 21.7 до 20.5 С. Видно, что с увеличением расхода разница между скоростями уменьшается.
Наблюдалось некоторое различие в средних скоростях перемещения пламени при отсутствии модуляции потока на рис. 3.12, 3.15 и 3.6. Можно назвать, по-крайней мере, две причины такого различия. Во-первых, средняя скорость сильно чувствительна к температуре (см. рис. 3.3). В настоящей работе температура отличалась от температуры, при которой получены данные, приведенные на рис. 3.6, и она изменялась от эксперимента к эксперименту в большем диапазоне, что естественно привело к большему изменению величины средней скорость. Во-вторых, данные, приведенные в настоящем разделе, получены в среднем при больших глубинах жидкости, чем данные, приведенные в разделе 3.1. Хотя в разделе 3.1 и показано, что средняя скорость пламени слабо зависит от глубины жидкости, но, однако, эта зависимость может усиливаться с увеличением глубины жидкости.
Для того чтобы пламя равномерно распространялось над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы синхронно с пламенем по жидкости распространялась тепловая волна. При этом концентрация паров жидкости перед фронтом должна обеспечивать нужную нормальную скорость. Если такая ситуация невозможна, то невозможно равномерное распространение пламени, что и имеет место при пульсационном режиме. Характерная частота колебаний при пульсационном режиме определяется характерными временами передачи тепла по жидкости, перемешивания паров с воздухом, то есть, характерными временами процессов, которые происходят при распространении пламени. Если скорость набегающего потока модулировать с частотой больше собственной частоты колебаний пламени, то процессы, происходящие в жидкости, не будут успевать за перемещением пламени. Если же частота модуляций скорости набегающего потока близка к собственной частоте колебаний пламени, то ситуация кардинально изменяется. Этим, по всей видимости, объясняется существенное различие в реакции пламени на модуляцию встречного потока с разными частотами.
Экспериментально получено, что пламя способно распространяться над поверхностью жидкости в узкой трубке при наличии внешнего потока окислителя, причем оно распространяется в пульсационном режиме. Подтверждены имеющиеся в литературе данные о том, что скорость распространения пламени над жидкостью чувствительна к температуре жидкости. С ростом температуры скорость растет. Получено, что средняя скорость пламени уменьшается с увеличением скорости набегающего на пламя окислителя. Эксперименты показали, что средняя скорость пламени не зависит, либо слабо зависит от глубины жидкости. Одним из возможных объяснений этого факта может быть возникновение потока тепла по стенке трубки от продуктов сгорания в жидкость, находящуюся перед фронтом пламени. Получен режим устойчивого горения, при котором пламя перемещается вниз по потоку. Экспериментально показана возможность управления скоростью сгорания с помощью модуляции потока окислителя. Получено, что при пульсационном распространении пламени над "мелкой" жидкостью в условиях набегающего потока имеется характерная частота колебаний фронта горения. Модуляция скорости набегающего на пламя газа оказывает сильное влияние на скорость распространения пламени. Если частота модуляции больше характерной частоты собственных колебаний пламени, то при значительных амплитудах модуляции пламя гаснет. При меньших амплитудах скорость сразу после включения модуляции возрастает, затем падает и достигает значения близкого к значению, наблюдаемому при отсутствии модуляции. Если частота близка к характерной собственной частоте колебаний пламени, то после включения модуляции пламя распространяется с постоянной, но большей средней скоростью. С увеличением амплитуды модуляции скорости набегающего на пламя газа при прочих равных условиях скорость пламени растет, пока, наконец, не происходит гашение.
Влияние теплопотерь в окружающую среду
Прямая линия, полученная для богатой во дородно-воздушной смеси при 1 и 2.1 атм. (рис. 4.31), характерна для случая, когда диаметр трубки меньше критического (рис. 4.4, 4.5). Тот экспериментальный факт, что при увеличении давления от 2.1 до 3 атм. вид зависимости изменяется, говорит о том, что диаметр трубки становится больше критического.
Зависимости максимальной температуры стенки от расхода горючего газа, полученные при разных давлениях. что максимальная температура достигается в продуктах горения. На рис. 4.32 приведены полученные зависимости максимальной температуры от расхода давление, атм Рис. 4.33. Зависимость верхнего концентрационного предела от начального давления. горючего газа для разных давлений. Видно, что температура изменяется с увеличением давления незначительно.
На рис. 4.33 приведены экспериментальные данные, полученные в работах [4.66, 4.67] по верхнему концентрационному пределу распространения пламени при разных начальных давлениях. Видно, что с ростом давления от 1 до 20 атм. пределы сужаются. Если предположить, что имеет место корреляция между нормальной скоростью и верхним концентрационным пределом, то нормальная скорость с ростом давления должна значительно падать. Нормальные скорости для смеси, содержащей 70 % водорода в воздухе, были измерены в работе [4.68, 4.69] и, действительно, с ростом давления в диапазоне от 2 до 69 атм. скорость существенно уменьшается. Однако из этих данных не понятно, как изменяется нормальная скорость в диапазоне давлений от 1 до 4 атм. Поэтому были проведены дополнительные измерения нормальной скорости в бомбе постоянного объема в диапазоне давлений от 1 до 4 атм. Нормальная скорость измерялась двумя способами: по зависимости радиуса очага горения от времени и по записи давления.
Эксперименты проводились в 10-литровом стальном сферическом сосуде. Сосуд имел два оптических окна диаметром 9 см, был снабжен датчиком давления, двумя стальными электродами диаметром 4 мм. Электроды оканчивались вольфрамовой проволокой диаметром 1 мм. Поджигание смеси осуществлялось электрическим разрядом в центре сосуда. Искра возникала при разряде конденсатора через повышающий трансформатор. Энергия, запасенная в конденсаторе - 15 Дж. Непосредственно энергия искры не измерялась, но она была существенно меньше энергии, запасенной в конденсаторе.
Для регистрации фронта пламени была собрана оптическая система, состоящая из лазера LS-3-N-532/2000, линз и скоростной видеокамеры.А08 X-PRI. Свет лазера расширялся и делался параллельным. Параллельный пучок света проходил сквозь бомбу. Далее он собирался на светочувствительной матрице видеокамеры. При горении часть света рассеивалась на градиенте показателя преломления и не попадала в объектив видеокамеры. А так как максимальный градиент показателя преломления возникает на фронте пламени, то видеокамера фиксировала положение фронта горения.
Давление внутри сосуда измерялось с помощью индуктивного датчика ДД-10. Он позволяет регистрировать изменение давления с частотой не больше 10 кГц. На последовательно соединенные индуктивности датчика давления поступал синусоидальный электрический сигнал. При отклонении мембраны одна из индуктивностей изменялась, поэтому менялось амплитудное напряжение на этой индуктивности. В конечном итоге на выходе преобразователя возникало напряжение, которое было пропорционально давлению. Сигнал с преобразователя поступал на аналого-цифровой преобразователь.
Смесь готовилась в смесителе по парциальным давлениям. В качестве горючей смеси использовалась смесь, содержащая 70±0.7% водорода в воздухе. Перед экспериментом бомба откачивалась и наполнялась смесью до нужного давления. Начальное давление в бомбе измерялось образцовыми манометрами. Бомба закрывалась. Аналого-цифровой преобразователь управлялся компьютером. При запуске аналого-цифрового преобразователя сигнал поступал на запуск видеокамеры и с некоторой задержкой открывался тиристор устройства поджигания. После проведения эксперимента видеоматериал и сигнал с аналого-цифрового преобразователя запоминались в компьютере. Перед экспериментами датчик давления градуировался.
Это достаточно хорошо известный способ [например, 1.27], у которого есть свои преимущества и недостатки. Недостатком метода является то, что с одной стороны, методика справедлива при небольших изменениях давления. С другой стороны, чтобы получить информацию о процессе давление должно заметно измениться. При небольших изменениях давления возникает ошибка из-за электрических шумов. Если же увеличивать начальный участок, то необходимо учитывать зависимость нормальной скорости от давления и температуры свежего газа перед фронтом. Для повышения точности этого метода нужно использовать датчик давления (или два датчика), который, с одной стороны, обладает высокой чувствительностью к давлению, с другой стороны, мог измерить большое конечное давление. Преимуществом этого метода является то, что можно измерять нормальную скорость в условиях, когда оптические окна использовать невозможно (например, при высоких давлениях).
