Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы и объект исследования 13
1.1 Горение, термины и определения 13
1.2 Огненный смерч как явление 16
1.3 Физическое моделирование огненных смерчей 19
1.4 Математическое моделирование огненных смерчей 24
1.5 Обзор оптических методов исследования компактных очагов
горения. Обоснование применения оптических методов исследования
модельных огненных смерчей .26
1.6 Предмет изучения и вопросы исследования 30
Глава 2 Моделирование огненного смерча 32
2.1 Горение жидкости. Метод моделирования огненного смерча 32
2.2 Компоненты скорости воздушного потока: измерения, сравнение с теорией. Высота модельного огненного смерча . 37
Глава 3 Активные лазерные методы измерений параметров модельногоогненного смерча , 41
3.1 Аппаратура и методика исследования модельного огненного смерча лазерным просвечиванием 41
3.2 Исследование флуктуаций интенсивности лазерного пучка, распространяющегося через модельный огненный смерч 43
3.3 Исследование флуктуаций дрожания изображения лазерного пучка, распространяющегося через модельный огненный смерч .47
3.4 Выводы по результатам лазерного просвечивания модельного огненного смерча 50
Глава 4 Пассивные оптические методы измерений параметров модельного огненного смерча .52
4.1 Регистрация модельного огненного смерча в видимом диапазоне.52
4.1.1 Анализ результатов .53
4.2. Тепловизионная регистрация модельного огненного смерч .57
4.2.1 Схема измерений с тепловизором Inframetrics 760 59
4.2.2 Анализ термограмм .59
4.2.3 Результаты применения тепловизора Inframetrics 760 .63
4.2.4 Схема измерений с тепловизором JADE J530SB .64
4.2.5 Анализ термограмм 65
4.2.6 Результаты применения тепловизора JADE J530SB 72
4.3 Регистрация эмиссионных ИК-спектров модельного огненного смерча 73
4.3.1 Предпосылки и задачи для эмиссионной спектроскопии 73
4.3.2 Аппаратура и методика измерений 74
4.3.3 Анализ и обсуждение результатов 76
4.3.4 Выводы по результатам обработки спектров .82
Заключение 83
Литература
- Физическое моделирование огненных смерчей
- Компоненты скорости воздушного потока: измерения, сравнение с теорией. Высота модельного огненного смерча
- Исследование флуктуаций интенсивности лазерного пучка, распространяющегося через модельный огненный смерч
- Схема измерений с тепловизором Inframetrics 760
Введение к работе
Актуальность исследования. При обширных природных и техногенных пожарах иногда возникают огненные смерчи (ОС). Термин «огненный смерч» (в англоязычной литературе - fire whirl, fire tornado, firestorm) вобрал в себя два явления – довольно обширный пожар и торнадо (смерч). ОС характеризуются колоннообразным вытягиванием пламени захватывающим как часть площади горения, так и целиком очаг пожара. При мощном приземном радиальном притоке воздуха в зоне ОС интенсификация огненного воздействия существенно повышается. Актуальной задачей является уточнение физических параметров такого поведения пламени. Важной задачей является разработка методов обнаружения ОС, воздействия на них с целью разрушения, Также важно исследовать физические параметры ОС для более точного моделирования этого явления. В работах, где описывается это явление [2], в работах по математическому [1, 8 - 13] и физическому [3 - 5] моделированию ОС, основное внимание уделяется рассмотрению явления с позиций метеорологии, механики жидкости и газа. Однако не полно освещен вопрос об использовании оптических методов для определения физических параметров ОС. Известно, что оптические методы позволяют оперативно исследовать подобные структуры, не внося искажений в горящий объем, дистанционно и безинерционно получать большой объем экспериментальных данных. Настоящая работа посвящена разработке оптических методов количественного определения физических параметров модельного огненного смерча (МОС), когда среда МОС рассматривается с позиций оптики. Закрутка пламени используется для оптимизации процессов горения и теплопередачи в различных технических приложениях, что также обуславливает актуальность работы.
Цель работы. В работе ставятся следующие цели: 1 - Определение воздействия среды МОС на флуктуационные характеристики просвечивающего лазерного пучка; 2 - Разработка методов регистрации собственного излучения МОС в видимом и ИК диапазоне для: определения флуктуационных свойств среды МОС, частоты вращения МОС, распределения яркостной температуры МОС, оценки коэффициента излучения МОС в ИК диапазоне; 3 - Исследование спектрального состава ИК-излучения МОС для анализа возможности идентификации режима МОС, диффузионного горения и определения «окон» прозрачности пламени.
Задачи исследования. Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи: 1 - Получить МОС в лабораторных условиях;
2 - Разработать оптические схемы по просвечиванию МОС лазерным пучком
(ЛП) с регистрацией флуктуаций интенсивности и дрожания изображения ЛП;
3 - Разработать схему регистрации флуктуаций собственного излучения МОС в
видимом диапазоне; 4 - Разработать тепловизионный метод для исследования
пространственного и временного распределения яркостной температуры МОС;
5 - Разработать метод для исследования эмиссионных ИК спектров МОС.
Результаты работы. 1 - Разработан и создан стенд для моделирования огненного смерча в лабораторных условиях методом взаимодействия восходящего внешнего закрученного воздушного потока с пламенем топлива
горящего в неподвижной емкости; 2 - Показано, что спектры флуктуаций зондирующего лазерного пучка при отсутствии закрутки подобны спектрам при распространении в турбулентной атмосфере и существенно изменяются в режиме МОС; 3 - Определена зависимость параметров флуктуаций зондирующего лазерного пучка, распространяющегося через МОС, от скорости закрутки воздушного потока; 4 - Определена зависимость параметров флуктуаций собственного излучения МОС от скорости закрутки воздушного потока; 5 - Определена частота вращения МОС по анализу флуктуаций собственного излучения МОС в видимом диапазоне; 6 - Определена частота вращения МОС по анализу временных последовательностей термограмм; 7 -Разработан критерий определения режима горения по анализу ИК спектров МОС.
Защищаемые положения. По результатам работы на защиту выносятся следующие 4 положения:
1. Частоты максимумов спектров флуктуаций интенсивности и спектров
дрожания изображения зондирующего лазерного пучка, распространяющегося
горизонтально через модельный огненный смерч, растут линейно с
увеличением скорости закрутки (п(оборотов/с)) внешнего воздушного потока,
начиная со значений п=2 (в спектрах дрожания изображения) и п=4,5 (в
спектрах флуктуаций интенсивности). С учетом переходного режима, при п > О,
указанные параметры описываются уравнением вида
G(n) = at + Ьґп + d-es^-n/ki), где ah bj, cu кі - константы; индекс і соответствует виду флуктуаций.
-
Спектральные функции временных флуктуаций собственного излучения модельного огненного смерча в ИК и видимом диапазоне имеют максимум, частота которого соответствует частоте вращения модельного огненного смерча.
-
В эмиссионных спектрах пламени (топливо - этанол) отношение суммы спектральных интенсивностей в интервале 43454501(нм) к соответствующей сумме в интервале 28292993(нм) в режиме модельного огненного смерча возрастает с высотой пламени, а в диффузионном режиме горения соответствующие значения этого отношения имеют постоянный уровень.
-
В модельном огненном смерче распределение яркостной температуры по высоте носит колебательный характер до 0,5 0,75 высоты и затем быстро спадает, а распределение яркостной температуры в горизонтальном сечении описывается уравнением вида:
Т (х) - Тт - ехр [- ((х - хт ) / of ],
где Тт, хт - максимальная температура и ее координата, а - полуширина распределения на уровне 1/е.
Научная новизна. В настоящей работе: установлена зависимость флуктуаций интенсивности и дрожания изображения лазерного пучка от скорости закрутки МОС; впервые из анализа временных рядов термограмм МОС и флуктуаций интенсивности собственного излучения МОС определена
частота вращения МОС; обнаружено различие в эмиссионных ИК спектрах при горении топлива в режиме МОС и диффузионном режиме.
Достоверность результатов. Основным принципом обеспечения
достоверности результатов при проведении данной работы был принцип
повторяемости эксперимента – при одинаковой топливной загрузке и
одинаковых частотах закрутки воздушного потока надежно генерировался МОС с практически неизменными параметрами. При расчете спектральных функций флуктуаций параметров просвечивающего МОС лазерного пучка, флуктуаций собственного излучения МОС в видимом диапазоне достоверность обеспечивалась учетом исходных параметров (просвечиванием трассы без МОС, приемом фонового излучения), «сглаживанием» спектров по 100 значениям. При тепловизионной регистрации МОС все анализируемые термограммы выбирались при достижении стационарного режима процесса, так же производилось «сглаживание» полученных спектров по 20 значениям. При получении ИК спектров МОС, для обеспечения статистический надежности, рассчитывались параметры, основанные на учете ~250 отсчетов спектра. Обработка и аппроксимации данных производилась с применением методов статистической обработка результатов. Полученные результаты сопоставлялись с известными подобными результатами в литературе и не противоречат известным физическим законам.
Практическая значимость. Разработаны оптические методы
определения физических параметров МОС. Изучена зависимость этих
параметров от скорости закрутки воздушного потока, генерирующего МОС.
Предложенный метод формирования устойчивого горения топлива в режиме
МОС может быть использован в технике. На основании полученных в работе
результатов возможно создание: пассивного оптического датчика для
определения частоты вращения закрученного пламени; лазерного датчика
контроля частоты закрутки пламени; определение режима горения, на
установках подобных в представленной работе, на основе различий в
эмиссионных ИК спектрах по высоте пламени. Основная часть работы
выполнена в рамках НОЦ г/к № 02.740.11.0674
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований,
представленных в диссертации, докладывались на международных и
региональных конференциях, в том числе на: международной конференции «Сопряженные задачи механики информатики и экологии» (г. Горноалтайск, 2004 г.); XIII симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005); 6–й международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Иркутск, 2005 г.); международной конференции «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф» (г. Томск, 2008 г.); XI, XII, XIV, XVI, XVII, XIII международных симпозиумах “Atmospheric and Ocean optics. Atmospheric Physics” Symposium Proceedings (г. Tomsk, 2004, 2005, 2007, 2009, 2011 г., г. Иркутск, 2012г.); 14-м Минском международном форуме по тепломассообмену. (г. Минск,2012 г.); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» – АПР-2012 (г. Томск 2012 г.); XVII,
XIX, ХХ Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (г.Томск, 2010 г, 2012-2013г.). Основные положения диссертации также обсуждались на научных семинарах лаборатории распространения волн ИОА СО РАН.
Публикаци. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, 8 из которых в списке журналов, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. В части работы, посвященной лазерному просвечиванию МОС и регистрации собственного излучения МОС в видимом диапазоне, автор участвовал в проведении экспериментов, обработке и интерпретации результатов эксперимента. В части работы посвященной тепловизионной диагностике и спектральному анализу МОС, вклад автора состоял в постановке задачи, в подготовке и проведении экспериментов, в разработке методов обработки и интерпретации экспериментальных данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 80 работ и 2-х приложений. Общий объем диссертации составляет 100 страниц, включая 10 таблиц и 36 рисунков.
Физическое моделирование огненных смерчей
Ввиду того, что объект исследования настоящей работы представляет собой некий горящий объем, следует остановиться на определении самого процесса горения и структуры пламени применительно к проведенным исследованиям.
С точки зрения физики горение представляет собой процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии, тепло-и массообменом с окружающей средой и обычно сопровождается видимым пламенем. Процесс горения, с химической точки зрения, представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, с интенсивным выделением тепла, способную протекать с ускорением. Химическая реакция горения обычно состоит из большого числа элементарных химических реакций, протекающих параллельно. В отличие от взрыва, горение протекает с более низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны [1]. Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации. Наиболее обширный класс реакций горения представляет окисление углеводородов, например, при сгорании растительного природного топлива. В природных пожарах и в большинстве городских пожаров окислителем выступает кислород воздуха. Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо может быть инициировано зажиганием. При фиксированных внешних условиях (давление, температура, размеры реактора, параметры тепло- и массопереноса и др.) непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса - скорость реакции, количество тепла, выделяющегося в единицу времени (мощность тепловыделения), температура и состав продуктов -не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, процессы горения отличаются большой восприимчивостью к незначительным изменениям внешних условий. Реакция может перейти в режим горения, либо развитое горение может прекратиться. Например, добавляя более сухое топливо в очаг горения, можно значительно ускорить реакцию и мощность тепловыделения. При горении более влажного топлива скорость горения может замедлиться из-за того что вода имеет большую теплоемкость и при некоторой влажности топлива реакция вообще прекращается. Кроме горючей массы, в топливе содержится нейтральный к реакции горения компонент - балласт. Балласт просто присутствует в зоне реакции, лишь поглощая энергию тепловыделения. В качестве балласта обычно выступает вода и минеральные вещества. Конечными продуктами полного сгорания являются С02, Н20, N2, S02 (при избытке кислорода может образовываться небольшое количество NOx, S03 и прочих веществ). В процессе горения в зависимости от состава горючего, температуры и количества окислителя образуются и различные промежуточные продукты (СО, СН4, SO и др.) [1].
При адиабатическом (отсутствует теплообмен между реагирующей системой и окружающей средой) сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны: количество выделившегося при горении тепла, температура горения, которая могла бы быть достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения), состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и исходных продуктов.
Если состав продуктов заранее известен, то температура горения может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы (при постоянном объеме) или ее энтальпии (при постоянном давлении) в исходном и конечных состояниях [1]. На практике условия адиабатичности горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объемом и окружающей средой. Например, в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне (фронт горения), отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону. Так происходит, например, горение паров жидкостей в смеси с воздухом. [4]
Из множества соединений, которые могут выступать в роли окислителя, в настоящей работе рассматривается единственный окислитель - кислород воздуха. Диффузионное горение - это процесс горения предварительно неперемешанной смеси горючего и окислителя, при котором основную роль играют процессы диффузии во фронт пламени. При диффузионном горении возможно неполное сгорание с образованием, например, СО. Конечными продуктами полного сгорания для углеводородного топлива являются СО2 и Н2О не сгоревших горючих газов, например - СО, СН4 и других. Существует также кинетическое горение - когда окислитель и горючее предварительно перемешаны, но в настоящей работе такой тип горения не рассматривается. Из многообразия форм диффузионного горения [3,4] в настоящей работе используется схема, когда кислород воздуха диффундирует к парам жидкого топлива. В результате такого взаимодействия образуется пламя. Например, пламя спиртовки, керосиновой лампы и т.п. Диффузионное горение может протекать как в ламинарном режиме, так и, по мере возрастания скорости реагентов, в переходном и далее в турбулентном режиме. Эти газодинамические режимы горения зависят от линейной скорости перемещения реагентов и характеризуются числом Рейнольдса [2]:
Компоненты скорости воздушного потока: измерения, сравнение с теорией. Высота модельного огненного смерча
Частота вращения электродвигателя задавалась ручной регулировкой переменного резистора в цепи питания и контролировалась с помощью частотомера, регистрирующего частоту импульсов с фотоприемника. Диапазон частот вращения крыльчатки составлял 017 Гц. Дрейф частоты вращения электродвигателя в процессе сгорания одной порции топлива составлял порядка 12% в сторону больших частот, что в дальнейшем использовалось для верификации метода определения частоты вращения МОС (в Главе 4).
Оценки параметра закрутки потока (s) производились по формуле [79] (3) Здесь db ёг-внутренний и внешний диаметры лопаток крыльчатки соответственно; - угол установки лопаток. Значение s=0,28 означает, что установка работала в режиме слабой закрутки потока.
В качестве горючего использовался этиловый спирт, его объем в начале всех реализаций составлял 20 мл. Диаметр топливной емкости составлял 14,2 см, высота бортика - 10мм. Теоретически рассчитанная толщина слоя топлива составляла 1,7мм. Зажигание паров топлива производилось с помощью внешнего источника пламени. Оценки скорости горения топлива в нашей установке составляют 0,11 см/мин [26], что в сравнении с рис. 7 сравнимо со скоростью горения бензина, и для данного диаметра емкости лежит в области минимальных скоростей. Сравнение не вполне корректно по той причине, что топливо выгорает полностью так, что влияет нагрев дна емкости.
Пламя МОС представляет стабильную структуру из двух и более вращающихся спиралевидных жгутов, которые при больших скоростях вращения, сливаются между собой в сплошную среду. Наблюдается небольшая прецессия основания МОС по емкости и самого МОС относительно вертикальной оси. Оценка числа Рейнольдса по формуле (1) для МОС шириной? ё=10см, скорости потока, V=5м/с, плотности воздуха, = 0,456 кг/м3 и динамического коэффициента вязкости воздуха, = 356710"8 Нс/м2 (для оценки взяты значения для сухого воздуха при 500С) составляет:
А для диффузионного режима горения при скорости потока v 1 м/с число Рейнольдса составит Re «1200. Эти оценки показывают, что на нашей установке горение топлива происходит в переходном режиме. МОС можно отнести к широкому классу потоков, которым присуще наличие нестационарного организованного движения крупномасштабных образований (больших вихрей) со слабой пульсацией, которые имеют устойчивую и типичную пространственно -временную форму, ограниченную в пространстве. Внутренняя зона течений имеет турбулентный характер и состоит из неупорядоченных мелкомасштабных пульсаций достаточно высокой интенсивности [11,18]. На рис.8б видно, что в основании МОС присутствует зона, в которой радиально горящие струи стягиваются от краев емкости к центру, а затем, на расстоянии ширины МОС, устремляются вверх по спиралевидным траекториям. Таким образом, это соответствует реальным ОС, где также существенны приповерхностные центростремительные потоки воздуха. Отметим и то обстоятельство, что нижняя часть пламени МОС имеет голубой оттенок, что в дальнейшем явилось основой для анализа эмиссионных спектров.
С помощью термоанемометра были измерены компоненты скорости воздушного потока создаваемого вышеописанной установкой. Измерения производились без горения топлива. На рис. 10а приведены результаты измерений. Схематически, с сохранением масштаба, показаны лопасти крыльчатки, побуждающей воздушный поток и мкость для топлива. Из графиков видно, что вертикальная компонента скорости имеет один максимум в проекции лопастей крыльчатки, а горизонтальная – два максимума: основной на расстоянии полурадиуса емкости, и слабый максимум в проекции лопастей крыльчатки. Из анализа зависимости тангенциальной компоненты скорости видно, что до высоты 15,2 см от мкости сохраняется квазитврдое ядро вращения, которое к высоте 35,2 см практически исчезает. Но при наличии МОС, это ядро вращения сохраняется до высоты 47 см, что видно из результатов тепловизионной съемки (далее в главе 4). При сопоставлении этих компонент за пределами емкости, видно, что вертикальная компонента скорости в проекции лопастей в 2 раза выше VT , а в области ядра вращения VB VT до высоты 15,2 см.
Исследование флуктуаций интенсивности лазерного пучка, распространяющегося через модельный огненный смерч
В условиях нашего эксперимента трасса составляла 5 м. Источник излучения имел температуру порядка 1000К, в то время как все остальные элементы установки находились при комнатной температуре 300К. Источники «паразитной» засветки отсутствовали. Соотношение величин удельных тепловых потоков источника и окружающих предметов в приближении о равном коэффициенте излучения поверхностей согласно закону Стефана-Больцмана: W oo =оєТЇІоєТЇ = 0- (1000)4/о- 300)4 «123.5, (14) где - постоянная Стефана-Больцмана, а - коэффициент излучения.
Мощность излучения I в спектральной полосе тепловизора (Л-Л) поверхности S излучателя имеющего температуру Т, определяется по формуле [65,С29] где h - постоянная Планка, к - постоянная Больцмана, с - скорость света. Также отметим, что термограмма представляет собой проекцию - «интегрирование» по толщине исследуемого объекта. Пламя в диапазоне работы тепловизоров является полупрозрачным [66,67], однако анализ термограмм ведется без учета этого обстоятельства потому, что пока не разработаны методы, кроме громоздких томографических, позволяющие выделять излучение отдельных слоев горящего объема. Далее представлены результаты тепловизионных исследований МОС. Заметим, что данные п.п. 4.2.1 - 4.2.3 основаны на термограммах, зарегистрированных с помощью тепловизора Inframetrics 760 в 2005-2006 годах и опубликованы в [26], а данные п.п. 4.2.4 - 4.2.6 основаны на термограммах, зарегистрированных с помощью тепловизора JADE J530SB в 2010 г., частично опубликованы в [62], и полностью представлены в устных докладах в 2012г.
Для тепловизора производился выбор дистанции, с тем, чтобы МОС отображался на термограммах с максимальным пространственным разрешением. Используемый тепловизор Inframetrics 760, работал в диапазоне длин волн 3 – 12 мкм, имел одноэлементный приемник с системой механического сканирования, которая обеспечивала 50 кадров/с в режиме визуализации. Регистрация термограмм на 3,5-дюймовую дискету производилась с интервалом 30 с, что позволяло получать лишь 2 термограммы за одну реализацию горения. В дальнейшем производилась выборка характерных термограмм для каждой скорости закрутки воздушного потока. 4.2.2 Анализ термограмм
Из анализа графиков следует, что распределение яркостной температуры по высоте носит колебательный характер. Амплитуда этих колебаний составляет 6 -14 см. Это связано с тем, что горение по высоте происходит неравномерно и имеет вид отдельно поднимающихся ячеек с высокой температурой, а также наличием «жгутов» в структуре потока (п 2.1 Рис. 8б). Средняя температура претерпевает несколько колебаний до 0.5 - 0.75 высоты МОС, а затем быстро спадает. Такой вывод совпадает с результатами расчета [9].
Следует отметить, что из-за особенностей схемы эксперимента высота МОС оказывалась ограниченной, так что корректные результаты получились лишь до частоты вращения 8 об/с
Для калибровки термограмм использовались термопары. Максимальная температура МОС, измеренная термопарами, составила Т 1 10001100К. Для совпадения температуры измеренной тепловизионной системой и термопарами при сжигании спирта необходимо использовать коэффициент излучения 1, в отличие от примененного табличного =0,5. Коэффициент 1 можно рассчитать из соотношения БТ4 = 1 Т 14. Тогда при примененном коэффициенте =0.5, для измеренной тепловизором температуры Т=750 850 К (Рис. 24) в сопоставлении с термодинамической Т1=1000 К, реальный коэффициент излучения составит 1^0.16 0.26. Уменьшение коэффициента излучения связано с тем, что для слабо задымленного пламени коэффициент излучения определяется концентрацией основных излучающих продуктов горения - углекислого газа и паров воды [71].
Отметим, что видимое изображение МОС несколько меньше, чем на термограммах. Это связано с тем, что мощность излучения в ИК диапазоне, на порядок больше чем в видимом, что позволяет регистрировать излучение от периферийных, слабо излучающих в видимом диапазоне, областей МОС.
Схема измерений с тепловизором Inframetrics 760
В работе было получено несколько десятков спектров. Характерный спектр излучения пламени в нашем эксперименте представлен на рис.32а. и здесь же для сравнения, на рис 32б., представлен спектр излучения пламени лесных горючих материалов (ЛГМ), полученный в работе [75].
Видно, что в спектре МОС присутствуют 6 максимумов (пиков). В полосе излучения 2,3 3,2 мкм «коротковолновые» пики (А-і-А-з) и в полосе 4,24,7мкм -«длинноволнове» (к4- б)- В средней части спектра наблюдается широкая зона слабой эмиссии. Ширина этой зоны составляет 1 мкм. В зависимости от режима горения (диффузионного либо МОС) и высот измерения изменяются лишь амплитуды различных участков спектра, а его форма сохраняется. Отметим, что форма спектров МОС подобна спектрам хвои кедра [71], степных материалов [74], лесных горючих материалов (Рис.32б). Это совпадение формы эмиссионных спектров свидетельствует о том, что основные излучающие компоненты одинаковы и для ЛГМ и для этанола, который использовался в качестве топлива в настоящей работе. Упрощенно, без быстрых промежуточных реакций горения, для качественного описания процесса, можно записать химическую реакцию горения этанола: C2H5OH + O2 - 2CO2 + зH2O (20)
Уравнение (18) иллюстрирует известное обстоятельство - основными излучающими компонентами пламени являются конечные продукты горения -пары воды и углекислый газ, например, [72]. С помощью информационной системы [76] был выполнен расчет коэффициента пропускания стандартной «летней» атмосферы при температуре 300К для трассы 1м. На рис. 33 представлены результаты этого расчета в сопоставлении с измеренным типичным эмиссионным спектром МОС. Интервалы 1, 3, 4, 5 и 6 эмиссионного спектра МОС хорошо согласуются с расчетным спектром пропускания атмосферы Т(Г). Интервалы 3 и 6 (Рис. 32а.) были выбраны для анализа режима горения из следующих соображений: в интервале 3 преобладает излучение H2O и незначительно излучение CO2 , а в интервале 6 излучает лишь CO2 . Кроме того в указанных интервалах спектр имеет наибольшие значения интенсивности. Отметим, что эти интервалы традиционно используются для описания пламн [72]. Чтобы иметь статистaxически более надежную величину для дальнейших оценок, было произведено суммирование интенсивностей в окрестностях максимумов интервалов 3 и 6. На рис. 34 в качестве примера представлен характерный эмиссионный спектр МОС в указанных интервалах. В интервале суммирование проводится по 10-и характерным максимумам спектра, которые присутствуют во всех спектрах. Интервал 6 (4344,58 – 4501,18 (нм)) подбирался таким образом, чтобы имелось сопоставимое число слагаемых. Количество слагаемых соответствует количеству отсчетов спектрометра и в этих интервалах составляет 250 шт. В дальнейшем были проанализированы суммы значений интенсивности спектров в выбранных интервалах
На рис. 35 построено отношение S6 /S3 в зависимости от высоты расположения спектрографа для МОС и свободного диффузионного режимов сгорания топлива. Здесь каждой точке соответствует один экспериментальный
Зависимость S6 /S3 в режиме свободного диффузионного горения (полые точки) и МОС (черные точки) от высоты над поверхностью топлива. спектр. На рис. 35 методом наименьших квадратов рассчитаны уравнения зависимости рис., S6/S3 от высоты регистрации спектров. Для режима МОС к = 2.305 + 0.0315Л5 (23) с коэффициентом корреляции г=0,5 и дисперсией Sd=0,51, а для диффузионного режима = 2.06-0.026/г; (24) с коэффициентом корреляции г=0,39 и дисперсией Sd=0,37.
Расчитанные зависимости отношения S6/S3 позволяют сделать вывод о том, что в режиме МОС наблюдается рост отношения S6/S3с высотой, в то время как в диффузионном режиме это отношение незначительно уменьшается. Отметим, что в диффузионном режиме на высоте 20см удалось зарегистрировать лишь один надежный спектр из-за больших пульсаций языков пламени.
Наиболее вероятным представляется следующее объяснение различия в поведении отношения S6/S3 для двух вышеупомянутых режимов горения: В режиме МОС, из-за большего притока окислителя, увеличивается скорость полнота сгорания паров топлива и в пламени возрастает количество конечного продукта сгорания - CO2 . В диффузионном режиме в пламени присутствует относительно большее количество промежуточного продукта горения - CO.
