Содержание к диссертации
Введение
1. Самоорганизация вихревых течений в пламени при малых числах рейнольдса 11
1.1 Эффекты и механизмы закрутки потока в пламени 11
1.2 Классификация самопроизвольных вихревых структур в пламени 15
1.3 Программа исследований 31
2. Методика эксперимента 34
2.1 Объекты исследований 34
2.2 Экспериментальная установка для исследования влияния гравитационных условий 43
2.3 Системы и методы визуализации вихревых течений, контроля и измерения параметров среды 46
3. Закономерности самопроизвольного формирования вихревых структур при горении 82
3.1 Горение газа в «опрокинутом» пламени 82
3.2 Распространение пламени в плоской, полуоткрытой трубе
3.3 Вихреобразование при автоколебательном и релаксационном горении 127
4. Определяющріе механизмы самоорганизации стационарных структур 151
4.1 Роль свободной конвекции 151
4.2 Сопутствующие факторы в развитии диссипативных вихревых структур 159
4.3 Механизмы и модели вихреобразования в пламени 161
5. Определяющріе механизмы самоорганизации когерентных вихревых структур 168
5.1 Генерация аукстических течений пламенем при автоколебательном горении 168
5.2 Формирование вихревых структур при колебаниях свободно-конвективного течения в пламени 174
5.3 Механизмы образования вихревых цугов при релаксационном горении 178
6. Технические приложения влияния вихревых структур на процессы горения и теплообмен 182
Заключение 186
Литература 189
- Классификация самопроизвольных вихревых структур в пламени
- Экспериментальная установка для исследования влияния гравитационных условий
- Распространение пламени в плоской, полуоткрытой трубе
- Сопутствующие факторы в развитии диссипативных вихревых структур
Введение к работе
Актуальность проблемы. Принудительная закрутка газа в пламени широко используется в камерах сгорания энергетических установок. Техническая и экономическая целесообразность принудительной закрутки связана с влиянием вихревых течений на интенсивность тепло-массообмена и устойчивость горения. Эффект влияния определяется интенсивностью закрутки. Принудительная закрутка потока технически осуществляется при тангенциальном подводе топлива в камеру сгорания под высоким давлением, с помощью турбин или в рециркуляционных зонах. Получение необходимых ин-тенсивностей закрутки требует усложнения конструкций закручивающих устройств и увеличения расхода топлива.
Известно, что в диссипативных вихревых структурах Рэлей-Бенара, Марангони и др. интенсивность вращательного движения того же порядка величины, что и в течениях с принудительной закруткой. Физические процессы и механизмы вихреобразования в пламени при малых скоростях горения те же, что и при формировании диссипативных вихревых структур. Одной из причин самопроизвольного формирования стационарных вихревых структур в пламени является ускорение потока во фронте пламени, как и на любой другой поверхности разрыва. Другими причинами являются ускоренное движение газа, вызываемое свободной конвекцией и растяжение фронта пламени («стретч-эффект»). Пламя является звеном обратной связи между колебаниями скорости тепловыделения и колебаниями температуры, давления и скорости потока. Автоколебательные режимы горения порождают когерентные вихревые структуры в пламени. Когерентность вихревых структур проявляется в согласованном периодическом изменении размеров отдельных вихревых ячеек и скорости движения газа в них. Влияние физических процессов, приводящих к образованию самопроизвольных вихревых структур в пламени до настоящего времени в научной литературе не рассматривалось.
Стационарные и когерентные вихревые структуры порождают специфический механизм тепло- массопереноса. Он заключается во взаимодействии отдельных вихревых ячеек, передающих по цепочке кинетическую энергию вращательного движения в соседние слои газа. В зависимости от типа развивающейся вихревой структуры размеры вихревых ячеек изменяются от михельсоновской толщины зоны горения до размеров пламени. Глубина проникновения вихревого движения может превышать толщину динамического и температурного пограничного слоев. Этим объясняется существенное влияние вихревой структуры на кинетику химических реакций в пламени и выбор преимущественных направлений теплового потока из зоны пламени в окружающую среду. Сведения о влиянии самопроизвольных вихревых структур на полноту сгорания топлива и интенсивность теплопередачи в камерах сгорания в научной литературе отсутствуют.
Возможность формирования вихревых структур в пламени, обеспечивающих высокую полноту сгорания топлива и эффективную теплоотдачу, привлекательна с точки зрения технических приложений. До настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении не проводились.
Цель диссертационной работы состоит в разработке метода, указывающего основные принципы построения гидродинамических ситуаций, при которых происходит самопроизвольное формирование вихревых структур в пламени; создании комплексной методики экспериментального исследования вихревых течений в пламени; разработке основных теоретических положений, объясняющих физические механизмы, управляющие явлениями вих-реобразования; нахождении новых, научно-обоснованных технологических решений, использующих влияние вихревых структур на горение и теплообмен для разработки высокоэкономичных камер сгорания;
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
1. Предложен новый подход в получении вихревых пламён, основанный
на создании условий для постоянного или периодического ускорения потока.
В рамках этого подхода обнаружены новые формы стационарных и неста
ционарных вихревых структур, присущие только течениям с фронтальными
химическими реакциями. Взаимодействие нестационарной, когерентной
вихревой структуры с фронтом пламени обеспечивает обратную связь между
изменением скорости горения и параметров потока, что приводит к устойчи
вым автоколебаниям процесса горения.
Экспериментальным путем найдены условия спонтанного образования вихревых структур в пламени в виде областей, ограниченных зависимостями критериев Рэлея и Рейнольдса. Особенностью вихревого течения продуктов горения является существование гистерезиса интенсивности теплообмена и числа вихревых ячеек по критерию Рейнольдса при формировании сложной структуры, состоящей из большого числа вихревых ячеек. При обратном обходе гистерезисной кривой обнаружены бифуркации числа вихревых ячеек.
Предложены новые экспериментальные методы исследования полей скорости, температуры и концентрации в вихревых структурах: метод раздельной визуализации температурного поля и поля скоростей в камере Хил-Шоу; метод осаждения продуктов горения на поверхности теплообмена; экспериментальный способ анализа интегральной интерференционной картины в поляризационно-оптическом методе исследования теплоотдачи в пограничном слое; метод вставной гильзы для измерения энергии вихревого движения газа; метод измерения профиля скорости в импульсной струе при формировании кольцевого вихря.
Установлено соответствие между динамической перестройкой поля скоростей и поля температур в вихревой структуре. При распространении фронта пламени в трубе и по поверхности конденсированного топлива вихревая структура является причиной автоколебательного режима горения.
Обнаружено изменение скорости теплоотдачи из пламени на поверхность теплообмена при переходе от потенциального течения к спонтанной вихревой структуре. Измерениями локальных тепловых потоков установлено, что тепловой поток увеличивается в 1,2 -г 1,3 раза.
Предложены физические механизмы вихреобразования в экспериментально изученных гидродинамических ситуациях. Показано, что самоорганизация вихревой структуры происходит при ускорении потока под влиянием: а) тепловой гравитационной конвекции, б) растяжения фронта пламени, приводящего к аналогу поверхностных, капиллярных явлений и эффекту Маран-гони; в) автоколебаний пламени и релаксационного горения.
Предложены новые технологические решения, реализующие способы нагрева жидких и газообразных сред и горелочные устройства для их осуществления.
На защиту выносятся:
Разработка нового подхода в гидродинамике пламени, указывающего основные принципы создания граничных условий в камере сгорания, при которых самопроизвольно формируются стационарные и нестационарные вихревые структуры в пламени при малых скоростях потока (Re < 300).
Экспериментальные результаты, подтверждающие спонтанное образование вихревых структур при: а) распространении пламени в вертикальном полуоткрытом канале сверху вниз; б) горении газа, вдуваемого на нижнюю плоскость горизонтальной или наклоненной поверхности пластины-теплообменника; в) распространении фронта пламени по поверхности горючего материала; г) автоколебательном горении в трубе-резонаторе с акустической обратной связью; д) экспериментальные результаты, согласно которым перестройка течения в вихревое сопровождается изменением скорости, полноты сгорания топлива и интенсивности теплопередачи на поверхность теплообмена.
Комплексная методика экспериментального исследования вихревых течений, позволившая визуализировать поля скоростей, произвести измерения полей температур и концентраций в вихревой структуре, измерить величину тепловых потоков из зоны горения на поверхность теплообмена, установить физические процессы, приводящие к вихреобразованию.
Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов самоорганизации стационарных и нестационарных вихревых структур в пламени, согласно которому спонтанная самоорганизация вихревых течений вызвана: а) фронтом пламени, создающим стационарные и периодические ускорения потока; б) свободно-конвективной неустойчивостью, в зависимости от ориентации фронта пламени и направления его распространения относительно вектора свободного падения; в) релаксационными процессами подготовки и воспламенения горючей смеси в камере сгорания.
Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:
Обнаруженные типы вихревых структур в пламени дополняют представления о возможных причинах и условиях спонтанного вихреобразования при малых числах Рейнольдса, влиянии вихревой структуры на неустойчивость горения, скорость и полноту сгорания топлива, величину и направление теплового потока из зоны горения. Обнаруженные закономерности формирования и поведения вихревых структур в пламени могут быть использованы для оценки пожаро-взрывоопасности в технологических процессах, режимов устойчивого горения в камерах сгорания топок и двигателей, а также для повышения экономичности камер сгорания.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре теплофизики Чувашского государственного университета (1975-1988 г.г.), кафедре теоретической физики Чувашского государственного педагогического университета (1988-2000 г.г.), на кафедре экспериментальной физики Сургутского госу-
дарственного университета (2000-2003 г.г.)- Предложенные физические механизмы образования нестационарных вихревых структур применялись в экспериментальных исследованиях горения в невесомости и неустойчивого горения в камерах сгорания, выполнявшихся по хоздоговорной тематике кафедры теплофизики ЧТУ (г. Чебоксары), кафедры теоретической физики ЧГПУ (г. Чебоксары), проблемной лаборатории кафедры теплоэнергетики ЧТУ и госбюджетной тематике кафедры экспериментальной физики СурГУ (г. Сургут). Выполнение работы поддержано грантами Международного Научного Фонда (1994 г.) и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (1996 г.).
Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-28] и докладывались на 2 Всесоюзном семинаре по гидромеханике и тепло- массообмену в невесомости (Пермь 1981 г.), 5 Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Караганда 1982 г.), 5 Всесоюзной школе-семинаре по механике реагирующих сред (Томск 1984 г.), Международной конференции по горению (Мемориал Зельдовича, Москва 1994 г.), Международной конференции «Физика и техника плазмы» (Минск 1994 г.), 26-32 Международных конференциях по энергетическим материалам (ФРГ, Карлсруэ 1995-2001 г.), 3 Международном Симпозиуме по пиротехнике и взрывчатым веществам (Китай, Пекин 1995 г.), 11 Научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика» (Казань, 1999 г.), Международной конференции по математике и механике (Томск, 2003 г.).
Количество основных работ по диссертации - 28.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 143 наименований. Общий объём составляет 203 страниц, включая 53 рисунков.
Классификация самопроизвольных вихревых структур в пламени
Влияние постоянного ускорения. С кинематической точки зрения вихреобразование является следствием ускоренного движения газа. Ускорения в потоке при горении могут быть вызваны различными причинами: геометрией камеры сгорания, свободной конвекцией, колебаниями расхода топлива и скорости горения, импульсным изменением градиента давления, растяжением фронта пламени и т.д. Механизмы перерастания вихрей в долго-живущие пространственные структуры могут быть связаны с внутренними свойствами исследуемой нелинейной среды, также приводящей к образованию системы вихрей. Примером является течение в диффузоре [42], в котором при скорости, соответствующей критическим числам Рейнольдса, самопроизвольно развивается вихревая структура.
Другим примером является спонтанное формирование бенаровской вихревой структуры в плоском горизонтальном слое, в котором градиент температуры противоположен вектору ускорения свободного падения [43]. В работе [44] отмечается, что естественная конвекция может создать гидродинамическую ситуацию в пламени, обеспечивающую эффективную самоорганизацию вихревой структуры. При этом вовлечение рабочего вещества в интенсивный вихревой поток рассматривается в [44] как способ управления преобразованием тепла в работу. Свободно-конвективное вихреобразование увеличивает интенсивность теплообмена и определяет преимущественные направления теплового потока. Необходимость дополнительной механической закрутки газа для интенсификации процессов тепло- и массопереноса в этом случае отпадает. Здесь vt и v2 - скорости газа перед и за фронтом пламени, а - коэффициент теплового расширения газа во фронте пламени, R - радиус кривизны линий тока, /л - координата вдоль линии тока. Из выражения (1.1) видно, что даже плоский фронт пламени является самостоятельным источником вихревых возмущений. При определенных критических условиях вихревые возмущения либо развиваются, либо затухают. Кинетика и характер химических превращений во фронте пламени определяют скорость диссипации энергии. В [46] на основе теоретического анализа хаотических и периодических решений задач конвекции в жидкости показано, что изменение скорости диссипации энергии может приводить к рождению новых видов устойчивых периодических решений, т.е. вихревых структур.
Ускорения, вызываемые внешними воздействиями, влияют на форму и устойчивость пламени. Изменение площади поверхности пламени вызывает изменение скорости тепловыделения и горения. Обратная связь между ускорениями потока и изменением скорости горения порождает автоколебательные режимы горения. Причина неустойчивости фронта пламени в поле ускорения сил тяжести обусловлена различием плотностей продуктов горения и исходной горючей смеси. Это качественное физическое соображение позволило автору работы [47] рассчитать границы устойчивости стационарного плоского пламени в виде зависимости параметра ускорения G от волнового числа к, определяющего длину возмущения Я. Параметр ускорения G определен в [47] в виде соотношения G = 2gAa/mi2 (1.2) где g - ускорение свободного падения, Я - критическая длина волны воз-мущения, а = р/р0 - плотности продуктов горения и исходной горючей смеси, и - скорость распространения пламени. Согласно [47] влияние сил тяжести будет существенным для значений (? 1 и возрастает тем больше, чем меньше скорость пламени. Результаты работы [47] позволяют оценить условия опыта, при кото рых влияние внешних сил будет существенным. Например, для пламени, распространяющегося в трубе, длина волны возмущения будет ограничена диаметром трубы и соотношение (1.2) можно переписать в виде G = 2а 1{п Fr) , где Fr = и21gd - число Фруда. Тогда условие G 1 будет иметь вид Fr 2aln. Поскольку для реальных пламен ««0,1-4-0,2, то Fr « 0,1, то для трубы диаметром d = 5 см величина скорости распростране ния пламени равна 7 см/с. Проблема конвективной неустойчивости сферических пламен в поле сил тяжести была рассмотрена авторами работы [48]. Была сделана попытка моделирования процесса деформации формы пламени методом подобия пу тем анализа дифференциальных уравнений свободной конвекции. Авторами [48] установлены параметры, моделирующие явление конвективной неус тойчивости - число Фруда Fr и коэффициент расширения продуктов горе ния а. Так как влияние а невелико, то как показано в [48], число Фруда принимает смысл критического параметра. Теоретические выводы сопостав ляются авторами работы [48] с данными экспериментов, выполненными в широком диапазоне начальных параметров. Также как и в работе [47], полу чено критическое значение числа Фруда, определяющее границу конвектив ной неустойчивости и равное 0,11.
Малые скорости распространения, характерны для околопредельных пламен. При этом в случае, если компоненты горючей смеси имеют резко отличающиеся коэффициенты диффузии и теплопроводности, то пламена ста новятся ячеистыми. В этом проявляется диффузионно-тепловая неустойчивость пламени [49]. В работах [50-54] было выполнено аналитическое и численное исследование диффузионно-тепловой неустойчивости пламен при большой энергии активации в условиях, когда пламя распространяется в канале. Были найдены области устойчивости пламени в зависимости от числа Льюиса-Семенова L = DIа и безразмерного интервала температуры пламени z = Е(ТQ)12RT , здесь D и а - коэффициенты диффузии и температуропроводности, Е - энергия активации, Т и Т0 - начальная температура смеси и максимальная температура горения, R - универсальная газовая постоянная. Влиянием сил тяжести авторы работ [50-54] пренебрегали. Из результатов оценки параметров ускорения следует ожидать смещения границ диффузионно-тепловой устойчивости в зависимости от гравитационных условий.
Влияние самопроизвольных вихревых структур на тепло- и массопере-нос в ячеистых диффузионных пламенах при горении этанола «под потолком» на плоской пористой горелке рассмотрено в [55, 56]. Авторы работ [55, 56] отметили значительную роль сил тяжести, приводящих к бенаровской конвекции в продуктах горения в слое «под потолком», так как при этом потенциальная энергия нагретого газа превращается в кинетическую энергию вращательного движения. Влияние богатых смесей этанола с воздухом рассматривалось как условие дробления поверхности пламени на отдельные ячейки в результате развития диффузионно-тепловой неустойчивости. В [55] показано увеличение интенсивности тепло- и массопереноса, а в [56] - скорости горения и полноты сгорания в ячеистом вихревом пламени. Полученные результаты относятся к диффузионному горению как газовых, так и конденсированных систем. Структура пламени в отдельной вихревой ячейке не рассматривалась.
Экспериментальная установка для исследования влияния гравитационных условий
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2. Она состояла из блока управления, тяжелого контейнера, внутри которого помещали исследуемый объект, системы подвески контейнера, его стабилизации и торможения. Объект визуализировался в момент прохождения контейнера через оптическую ось теневого прибора ИАБ-451 и регист рировался скоростной кинокамерой СКС-1М. Состояние невесомости осуществлялось в течение 0,55 с при свободном падении контейнера, который был изготовлен из плексигласа и имел форму прямоугольного параллелепипеда внутренним объёмом 30 л. Значительный объём контейнера позволял исключить влияние его стенок на динамику течения газа при горении. Контейнер мог просвечиваться через окна, вырезанные в противоположных стенках и закрытые плоскопараллельными оптическими стёклами. Этим обеспечивалось использование теневого прибора ИАБ-451. В двух других стенках контейнера были вмонтированы электрические разъемы и технологические люки. Последние предназначались для оперативной заправки реакционной трубы горючей смесью, смены исследуемого объекта и т.д. Электрические разъёмы служили для соединения электромагнитного зацепа, расположенного на платформе с исследуемым объектом, высоковольтных проводов поджига, фотодиодов, термопар и др. с блоком управления. На углах верхней и нижней крышек контейнера укреплялось по четыре ролика, которые во время движения передавали воздействие направляющих стержней контейнеру. В центре верхней крышки было просверлено отверстие, служащее для соединения тонким прочным шнуром металлического фланца с кронштейном подвески исследуемого объекта.
Система подвески, стабилизации и торможения контейнера собиралась на раме жёсткой опорной конструкции. В верхнем основании конструкции находилась система подвески контейнера, главным элементом которой являлся силовой электромагнит. При пропускании через обмотку электромагнита постоянного тока к его сердечнику притягивался металлический фланец, связанный с кронштейном подвески объекта и, тем самым, удерживавший контейнер на высоте 1,5 м от места торможения. При размыкании цепи питания электромагнита контейнер начинал свободно падать. Положение контейнера при падении задавалось с помощью четырех направляющих стержней, которые перед началом экспериментов выставлялись строго вертикально и параллельно друг другу. Торможение осуществлялось двумя резиновыми амортизаторами, закрепленными одним концом - на нижнем основании опорной конструкции, а другим - посредством длинных капроновых фал, перекинутых через блоки на верхней крышке контейнера. Перед сбрасыванием контейнера фалы укладывались на его верхней крышке. Длина фал выбиралась такой, чтобы растяжение амортизатора начиналось только после прохождения контейнером заданной высоты.
Блок управления служил для автоматического выполнения в ходе эксперимента сразу нескольких операций: выключение силового электромагнита, введение исследуемого объекта в рабочее положение, включение искры # зажигания в заданный момент времени, включение регистрирующей и измерительной аппаратуры. Оценки погрешностей метода. Относительная погрешность измерения остаточного ускорения в контейнере во время свободного падения следует из приведенной выше формулы: Agl g = Axlx + 2Atxltx +2АГ2112 + Д/ + 2(Д/, + At2). Координаты и перемещения на кинокадрах измерялись с негатива кинопленки измерительным микроскопом с точностью 1-10" м. Перемещение деталей объекта исследования равнялось размеру кадра на кинопленке (« 8-Ю"3 м). Абсолютная погрешность измерений промежутков времени, проводившихся по трекам неоновой лампы вдоль перфораций кинопленки, не превышала 10"3 с. Отсюда следует, что Ag/g 0,01. Время индукции свободной конвекции измеряли по кинокадрам воспламенения диффузионного пламени спиртовки. Для различных диаметров горелок оно оказывалось меньше времени невесомости в 8 -г-10 раз.
Вихреобразование в потоке приводит к изменению полей скоростей и температур. Поскольку размеры вихревых ячеек изменяются от михельсо-новской толщины зоны горения до характерных размеров камеры сгорания, то для визуализации течения необходимо применение чувствительных оптических методов, позволяющих проводить количественные измерения.
Метод прямой съемки, основанный на регистрации светочувствительным материалом собственного излучения пламени, позволяет получить весьма ограниченную информацию только о местоположении и форме реакционной зоны. Но даже и в этом случае анализ получаемых данных затруднителен. Это связано с тем, что изображение пламени зависит от чувстви тельности плёнки в инфракрасной или видимой области спектра излучения и интенсивности свечения пламени. Кроме того, пламя не может находиться в одной фокальной плоскости объектива. В настоящей работе метод прямой съёмки используется как вспомогательный, дополняющий другие, более совершенные оптические и контактные методы, позволяющие проводить наблюдение за вихреобразованием вблизи фронта пламени.
Для исследования закономерностей изменения формы пламени использовали шлирен-метод. Он основан на явлении отклонения лучей света, проходящих через оптическую неоднородность и позволяет визуализировать области с различным градиентом показателя преломления света gradn. Наличие большого градиента показателя преломления обусловлено изменением температуры и химического состава. Возможность успешного применения шлирен-метода для изучения пламени показана в [117-120].
В настоящей работе шлирен-метод был реализован на теневом приборе Теплера ИАБ-451 системы Максутова [118], схематически показанного на рис. 2. В качестве источника света S использовали ртутную лампу ДРШ-250. Щелью и визуализирующей диафрагмой в коллиматорной и приёмной части прибора служили два калиброванных отверстия Д и D2. Чувствительность оптической схемы, определяемую диаметром щели Dx и диафрагмы D2, подбирали таким образом, чтобы фронт пламени в экспериментах по распространению в трубе визуализировался в виде чёткой, тёмной линии. Шлирен-фотографии пламени позволяли проводить измерения скорости распространения пламени и некоторых его геометрических характеристик: вытянуто-сти, площади поверхности и т.д.
В отличие от шлирен-метода интерференционный метод позволяет найти распределение показателя преломления п в исследуемом объёме. Пользуясь связью показателя преломления с плотностью среды (закон Глад-стона-Дейла), а также уравнением состояния, для отдельных случаев можно определить такие важные характеристики среды, как поле температуры, концентрации, плотности и энтальпии [119, 120]. Возможности применения интерференционного метода для исследования процессов горения были также показаны в [117-120].
В настоящей работе интерференционным методом исследовали гидродинамику и тепло- массообмен в продуктах горения за фронтом пламени при его распространении в трубе по заранее перемешанной горючей газовой смеси и по поверхности полимера. Метод был реализован с помощью поляризационного интерферометра бокового сдвига, собранного на базе теневого прибора ИАБ-451. В качестве источника света S (см. рис. 2) применяли гелий-неоновый лазер непрерывного излучения, а в приёмной части прибора вместо диафрагмы D2 устанавливали призму Волластона, а за ней по ходу луча - поляризатор. Скоростную киносъёмку с частотой до 4000 кадров в секунду шлирен- и интерференционной картин осуществляли кинокамерой СКС-1М.
Распространение пламени в плоской, полуоткрытой трубе
При диффузионном горении вихрь выносит горючий газ на поверхность пламени, способствуя перемешиванию газа с воздухом, образованию стехиометрической смеси в зоне горения и увеличивая время пребывания её в зоне химического превращения. На рис. 12 видно также, что интерференционные полосы, визуализирующие контуры вихревых ячеек, претерпевают инверсию цвета, то есть смену максимума интерференции света на минимум на расстоянии, равном ширине интерференционной полосы. Смена первого максимума интерференции на столь небольшом расстоянии в данном методе получения интерференционной картины может быть вызвана только изменением направления скорости частиц газа. Темной интерференционной полосе соответствует область течения, где частицы продуктов горения «входят» в плоскость фотографии, а в точках, где темная интерференционная линия становится светлой, частицы продуктов горения «выходят» из неё. Инверсия цвета интерференционной полосы свидетельствует о развитии азимутальной составляющей скорости течения в вихревой структуре.
В соответствии с полем скоростей происходит развитие температурного поля вблизи фронта пламени. Рис. 13 хорошо иллюстрирует образование интерференционными полосами трех «седловин», расположенных в области вихревых ячеек. Формирование «седловин» связано с локальным изменением порядка интерференции световой волны вследствие изменения температуры стенки в рассматриваемой точке. Центральная седловина в виде замкнутого, темного кольца располагается в области струи горючего газа, истекающего из сопла. Две другие в виде не сформировавшихся светлых полос второго порядка интерференции располагаются симметрично относительно критической точки, примыкая к фронту пламени. Уменьшение порядка интерференции вблизи фронта пламени означает уменьшение температуры вследствие более интенсивной теплоотдачи под воздействием течения в вихревой ячейке.
Для оценки величины изменения температуры на поверхности стенки по интерференционной картине проводили тарировку с помощью термопарных измерений. Для этого поверхность плексигласового образца стенки нагревали нихромовой проволокой, через которую пропускали электрический ток. Термопару располагали в области нагревания стенки. Отсчет э.д.с. термопары производили в тот момент, когда на интерференционной картине наблюдали переход от первого порядка интерференции ко второму. При этом следили за тем, чтобы размер тепловой неоднородности на интерференционной картине совпадал с размером вихревой ячейки. В результате измерений обнаружено, что изменение температуры на «седловине» интерференционной полосы составляет 50-н7(Ж. Полученные результаты согласуются с данными работы [125], в которой обнаружены максимумы температуры в зоне горения вблизи критической точки при растекании пламени на пористом цилиндре, из которого выдувался газ.
В дальнейших опытах исследовано влияние состава смеси пропана с воздухом на самопроизвольную структуру «опрокинутого» вихревого пламени. Целью опытов являлось изучение закономерностей изменения высоты вихревого «опрокинутого» пламени, скорости вращения и полноты сгорания газа при переходе от диффузионного горения к горению стехиометрической смеси пропана с воздухом. Высоту пламени и угловую скорость вихревого движения газа определяли по обмерам фотографий свечения пламени, примером которых является фотография, представленная на рис. 14. Величину угловой скорости регулировали путем изменения направления и величины скорости вдувания газа. Температуру на поверхности пламени измеряли по интенсивности излучения яркостным пирометром, а на поверхности пластины - термопарой. Распределения концентрации углерода внутри конуса пламени для различных условий опытов получали по сажевым следам, оставляемым продуктами сгорания на поверхности пластины. Подбором времени осаждения продуктов сгорания на зеркальную поверхность пластины добивались разделения следа на прозрачную и непрозрачную области. Толщину слоя в непрозрачной области измеряли с помощью микроскопа. Для этого в слое сажи делали узкий соскоб и, фокусируя поверхности пластины и сажевого слоя, измеряли вертикальное перемещение микроскопа. Было обнаружено, что в зависимости от толщины непрозрачного слоя его поверхность обладает различной отражательной способностью. Это проявлялось в том, что изображение слоя аналогично интерференционной картине представляло собой систему полос различной яркости, являющихся линиями равной толщины. Оптические свойства сажевого слоя использовали для контроля массы сажи, отложившейся на обтекаемой поверхности. Прямое измерение массы сажи осуществляли путем ее удаления с поверхности пластины и последующего взвешивания на электронных весах с точностью до 10"2 мг.
На рис. 16 видно, что область яркого свечения, в которой происходит догорание частиц углерода, по высоте пламени совпадает с центром кольцевого вихря. Из обмеров фотографий свечения пламени, полученных в интервале Re « 80 -г 200, следует, что с достаточной точностью можно считать поверхность пламени конической. Радиус пламени обратно пропорционален вертикальной координате, отсчитываемой от поверхности вдувания. При Re 80 и Re 200 поверхность пламени имеет более сложную форму. За высоту пламени принимали высоту светящегося конуса.
Сопутствующие факторы в развитии диссипативных вихревых структур
Геометрия области, в которой развивается свободно-конвективное течение, определяется формой и размерами пламени. Завихренность потока, создаваемая самим фронтом пламени, также зависит от его кривизны. С этим связано влияние ориентации вектора скорости вдувания газа относительно вектора ускорения свободного падения, величины скорости в сопле горелки и состава горючей смеси на стационарную вихревую структуру в пламени. При изменении состава горючей смеси происходит перестройка поля скоростей в вихревой структуре, приводящая к изменению распределений концентраций и температур в пламени. Закономерности влияния сил тяжести и скорости газа на высоту пламени для различных составов горючих смесей, представленные на рис. 21, могут быть качественно описаны путем оценки потоков тепла, импульса и изменения скорости течения нагретого газа под воздействием подъемных сил, как это сделано в [42, 121]. Вихревое течение приводит к перемешиванию газа внутри конуса пламени, устанавливая некоторое среднее значение разности температур Т в пламени и окружающем воздухе. Пусть v - среднее по сечению значение вертикальной составляющей скорости газа, z - координата вдоль потока, отсчитываемая от среза горелки.
Пропорциональное соотношение (4.13) согласуется с полученными экспериментальными зависимостями в диапазоне чисел 0 Re 200 (см. рис. 21). Скорость тепловыделения в пламени определяет значения q для различных составов горючей смеси. Для смесей, близких к стехиометрическим, оно возрастает, приводя к уменьшению высоты пламени. Высота вихревого пламени влияет на величины потоков тепла и массы перемешивающихся во встречных струях горючего газа и воздуха в направлении, перпендикулярном обтекаемой поверхности. Увеличение потоков тепла и массы в пламени авторы работы [55] связывают с возникновением дополнительной кинетической энергии вращательного движения продуктов горения в поле сил тяжести. Изменение состава смеси приводит к перестройке поля скоростей и распределений температур и концентраций внутри конуса пламени, что наглядно иллюстрируется рис. 22 а - б и рис. 23.
Закономерности появления и изменения азимутального движения в «опрокинутом» пламени позволяют дополнить свободно-конвективную модель формирования вихревой структуры, построенную в задаче Рэлея. Для описания азимутального движения газа в «опрокинутом» пламени используем известную задачу Рейнольдса о течении газа между двумя сближающимися параллельными, круглыми пластинками, расположенными одна над другой на некотором расстоянии [42]. Пространство между пластинами заполнено вязким газом. Пластинки сближаются друг с другом с постоянной скоростью и, вытесняя газ. Давление в окружающей среде постоянно и равно Р0. Начальное расстояние между пластинами равно h. Необходимо определить распределение скоростей в зазоре между пластинами.
Задача сводится к определению течения в «опрокинутом» пламени при следующих допущениях. Пусть плоский фронт пламени выполняет роль нижней пластины. Будем считать, что радиус пламени много больше расстояния до верхней пластины. Движение нижней пластины в направлении нормали к ее плоскости можно заменить однородным, восходящим, вертикальным свободно-конвективным течением газа, проникающим через фронт пламени. Подобное допущение основано на результатах визуализации ста ционарного течения продуктов горения вблизи критической точки «опрокинутого» пламени (рис. 52).
В отличие от известного решения [42] учтем азимутальное движение газа. Выберем цилиндрическую систему координат (r, p,z) с началом в критической точке «опрокинутого» фронта пламени. Будем считать, что горючий газ вводится через отверстие в верхней пластине, а диаметр отверстия -бесконечно мал. Следовательно, торможение газа происходит не на краях отверстия, как это принято в гипотезе Прандтля [81], а вследствие расширения струи продуктов горения при соударении с восходящей струей воздуха. В пользу этого утверждения говорит и тот факт, что на характер течения в вихревой структуре не влияет начальный профиль скорости в отверстии вдува. Кроме того, это согласуется с результатами экспериментов по формированию кольцевого вихря при проталкивании импульсной струи через фильтрующий слой.
В случае, когда вихревая структура представляет собой кольцевой вихрь (число вихревых ячеек равно 1), сажевые отпечатки, представленные на рис. 15, иллюстрируют качественную картину вихреобразования, сходную с образованием кольцевого вихря при подъеме термика. Их отличие заключается в причинах, вызывающих ускорение газа и его торможение. Торможение и растекание термика с образованием вихря происходит за счет понижения температуры в передней части струи, а при вдувании газа вниз через отверстие в пластине торможение струи и ее растекание происходит при повышении температуры вниз по течению.
Распределение температуры на обтекаемой поверхности определяется расположением и размерами вихревых ячеек в продуктах горения. Это объясняется тем, что продукты горения, имеющие вблизи фронта пламени максимальную температуру, переносятся вихрем непосредственно на стенку. Локальное повышение температуры на поверхности теплообмена согласуется с измерениями температуры поляризационно-оптическим, термопарным методами, методом осаждения сажи на поверхность и является причиной увеличения коэффициента теплоотдачи из зоны горения на поверхность теплообмена.
Полученные экспериментальные данные позволяют оценить теплопо-тери из фронта пламени в стенки трубы, обусловленные влиянием стационарной вихревой структуры. Из анализа зависимости Аип/ип0 = f{Fr)b представленной на рис. 38, следует, что максимальное изменение Аип/ип0 на графике зависимости происходит при Fr«0,01. Объяснение уменьшения нормальной скорости распространения пламени может быть получено в рамках классической тепловой теории Зельдовича-Сполдинга. В предельных условиях, когда происходит резкое снижение температуры в зоне химической реакции, обусловленное тепловыми потерями в окружающую среду, нормальная скорость распространения пламени перестает быть физико-химической константой, вследствие аррениусовской зависимости от температуры скорости химической реакции.
