Горение газовой смеси в закрытых трубах порождает эхо, которое приводит к полной перестройке фронта пламени. Детали этого явления впервые были воспроизведены при численном моделировании.
Пламя, взаимодействующее с мощной звуковой волной, способно порождать интересные пространственные структуры (см., например, впечатляющий видеоролик с «огненной визуализацией» звуковых волн). Звуковая волна при этом не обязательно должна быть внешней: интенсивное горение газовой смеси горючего и окислителя в замкнутом объеме, например в трубах, порождает эхо, которое может исказить фронт пламени и изменить режим протекания реакции горения.
Искажение формы пламени при горении в трубах известно уже более ста лет, однако лишь в классических экспериментах Джеффри Сирби (G. Searby) 1992 года было проведено систематическое изучение этого процесса. В частности, Сирби наблюдал турбулизацию пламени под действием собственного эха. Само по себе это явление не кажется удивительным, однако теоретического описания этого процесса до сих пор предложено не было. Требовали ответа вопросы «Как именно происходит переход к турбулентности?», «Какие именно колебания пламени раскачиваются первыми?» и т. п. Всё это, в свою очередь, сковывало руки исследователям, ищущим возможности практического применения этого эффекта в технологии (вообще говоря, турбулентность пламени имеет большое значение для ракетной промышленности).
В недавней статье российско-шведской группы исследователей A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 October 2006) был сделан первый шаг на пути к построению такой теории. Авторы этой работы провели подробное численное моделирование процесса горения газовой смеси в длинной и очень узкой трубе, закрытой с одного конца (смесь поджигалась с открытого конца, и пламя распространялось вглубь трубы). Для простоты вычислений решалась двумерная, а не трехмерная задача, газовая смесь считалась идеальным газом, а процесс горения моделировался гипотетической одноэтапной и необратимой химической реакцией с заданными тепловыделением и энергией активации. Зато вся газо- и термодинамика - сжатие и расширение, течения газа, теплопередача, структура фронта пламени - учитывались в полной мере.
Результаты моделирования однозначно доказали, что при приближении к закрытому концу фронт пламени начинал «дрожать». Эта дрожь порождала звуковое эхо той же частоты, которое еще сильнее «раскачивало» пламя. В непосредственной близости к концу трубы осцилляции пламени становились настолько сильными, что фронт пламени буквально складывался в гармошку. В течение каждого периода этих колебаний фронт пламени резко дестабилизировался, выпускал узкую и очень длинную струю холодного газа внутрь области, занятой горячими продуктами горения. Струя затем быстро сгорала, фронт пламени заворачивался вихрем и потом выравнивался вновь. Скорость течений, порожденных этими осцилляциями, в десятки раз превышала «нормальную» скорость распространения пламени в открытом пространстве.
Сильные осцилляции и порожденными ими вихри обычно являются первым этапом при переходе к турбулентности. Авторы статьи, однако, не торопятся объявлять об открытии механизма турбулизации пламени. Дело в том, что имеющиеся на сегодня вычислительные мощности позволяют провести столь детальное моделирование лишь в чрезвычайно узких трубах, скорее даже в капиллярах. Как изменится этот процесс в широких трубах, для которых и получены экспериментальные данные и в которых влияние стенок на течения существенно слабее, предстоит еще изучить. Интересно также проверить, являются ли обнаруженные в моделировании искажения пламени тем самым «тюльпанообразным пламенем», которое наблюдалось давно, но до сих пор остается необъясненным (см. C. Clanet and G. Searby. On the "Tulip Flame" Phenomenon (PDF, 1,3 Мб) // Combustion and Flame , 1996. V. 105. P. 225-238).
При стационарном процессе горения положение фронта пламени в потоке остается неизменным. Рассмотрим схематическое изображение факела пламени в потоке горючей смеси. Если скорость W была бы равной нулю, то мы имели бы сферическое распространение пламени с точечным источником в центре. Однако поток сдувает пламя в направлении своего движения и в то же время пламя перемещается навстречу потоку свежей горючей смеси со скоростью U n .
Рис.3.4. Схема стационарного фронта пламени
В результате наступает равновесие, при котором фронт пламени занимает стационарное положение, а поток приносит в зону горения свежие порции горючей смеси.
Рассмотрим элемент фронта пламени. Скорость потока W может быть разложена на нормальную и тангенциальную составляющие W n и W τ , которые стремятся снести фронт горения. В направлении нормали n - n скорость уравновешивается нормальной скоростью распространения пламени +U n .
Очевидно, если скорость W изменится, то фронт пламени займет новое положение и установится под таким углом α, при котором проекция скорости на нормаль n - n станет равной нормальной скорости горения U n . При этом сама скорость U n для данной смеси, естественно, является постоянной величиной (Рис.3.5). Таким образом, получим первое условие существования стационарного фронта пламени
│ U n │=│W│cos α (3.2)
Это выражение установлено в 1890 г. русским физиком В.А. Михельсоном и носит название "закона Михельсона", или "закона косинуса". Согласно этому закону проекция скорости набегающего потока на нормаль к поверхности стационарного фронта пламени всегда равна нормальной скорости горения.
W">W W" >W α">α
Рис.3.5. Положение стационарного фронта пламени в потоках с разной скоростью
Рассматривая участок фронта, примыкающий к источнику поджигания, становится ясно, что на место сносимых горящих частиц не будут приходить новые, если источник перестанет работать. Компенсация уноса пламени в тангенциальном направлении осуществляется постоянно действующим источником поджигания стационарного фронта пламени.
Таким образом, существуют два необходимых и достаточных условия существования стационарного фронта пламени в потоке горючей смеси:
1. Равенство проекции скорости распространения пламени на нормаль и нормальной составляющей к фронту пламени от скорости
потока.
2. Наличие постоянно действующего источника поджигания
с достаточной интенсивностью.
Очевидно, если W τ = 0, то фронт пламени перпендикулярен потоку и второе условие отпадает.
Хорошей иллюстрацией расположения ламинарного фронта пламени в потоке является пламя горелки Бунзена. Устройство горелки обеспечивает предварительное смешение горючего и окислителя, то есть топлива с воздухом. При поджигании смеси пламя, распространяясь по ней, стремится войти внутрь горелки, однако этому препятствует встречный поток. В результате устанавливается устойчивое динамическое равновесие, а стационарный фронт пламени принимает форму, при которой в каждой его точке нормальная к фронту составляющая скорости равна скорости распространения пламени в смеси данного состава при данных условиях.
Одни из первых исследователей этого вопроса Малляр и Ле-Шаталье назвали зону горения "голубым конусом", на поверхности которого в каждой точке выполняется закон Михельсона.
Механизм стабилизации пламени в горелке Бунзена иллюстрируется рис.3.6.
Рис.3.6. Схема образования фронта пламени в горелке Бунзена
Геометрическое место точек стабилизации С образует кольцо, располагающееся на некотором расстоянии от среза сопла горелки. В неподвижной смеси после поджигания пламя от точек С начнёт сферически распространяться и фронты пламени сомкнутся в точке В на оси потока.
При движении смеси каждая точка фронта пламени сносится потоком одновременно с расширением сфер и в результате образуется конический фронт пламени с вершиной в точке В касания сфер.
При постоянных значениях скорости в выходном сечении горелки и U n фронт пламени должен иметь правильную коническую форму. Однако вследствие роста U n у вершины пламени из-за нагрева смеси и снижения её около холодных стенок у основания конуса пламя имеет закругление. Если горючая смесь имеет α ≤1, то кислорода в смеси не хватает для полного её сгорания и оставшееся горючее догорает во вторичном, диффузионном фронте пламени в окружающем воздухе. Диффузионный фронт пламени имеет характерный желтый цвет.
Метод горелки Бунзена является одним из самых распространенных для определения нормальной скорости горения.
При
горении движущейся смеси, результирующая
скорость распространения пламени будет
складываться из сумм
.
Условие, что фронт пламени будет
стационарным (т.е. неподвижным), это
- результирующая скорость равняется
нулю,
.
В качестве модели рассмотрим горелку Бузена.
При подачи газа и воздуха в устье трубки со скоростью W , будет образовываться конус, при этом увеличение скорости поведет за собой увеличение высоты (поверхности) конуса, и уменьшение угла при вершине. Или также возможно обратное явление.
4.3. Процессы в плоском фронте пламени.
Р
ассмотрим
фронт пламени. Он будет составлять узкую
область, гдеh
ф
– толщина фронта, аh
х
– толщина химической зоны реакции.
При этом его можно разбить на 2 зоны:
зона подогрева и зона реакции.
В 1 зону поступает свежая смесь газа и
воздуха, концентрация газа в воздухе
остается постоянной т.к. химическая
реакция еще не началась, а только идет
подогрев за счет тепла выделяющегося
в зоне реакции. Она начинается там, где
теплоподвод становится равным теплоотводу,
или на языке математики
,
что соответствует температуре
воспламененияT
B
.
В зоне подогрева теплоподвод больше
теплоотвода
,
а в зоне реакции
.
Транспорт тепла во фронте пламени
осуществляется теплопроводностью. А
максимум тепловыделения лежит в зоне
реакции, и снижается до 0 в конце фронта.
На распространение фронта пламени влияет не только скорость химической реакции, но и транспорт веществ и продуктов сгорания.
4.4 Стабилизация ламинарного фронта пламени.
П
ри
подачи реально газа в горелку скорость
распространения изменяется от максимума
в центре, к своему минимальному значению
на периферии. Фронт пламени при этом
искривляется от конической формы. И
нормальной скорости распространения
пламени удается компенсировать только
,
а другая составляющая
будет
сносить точку к вершине факела. На
периферии за счет охлаждающей способности
стенокU
n
значительно уменьшается по сравнению
со своим средним значением, создается
возможность прямой компенсации скорости
потокаW
скоростьюU
n
.
За счет этого фронт пламени на краю
разворачивается в горизонтальную
плоскость и образуется устойчивая зона
горения – зажигательное кольцо. Эта
область вполне может существовать
самостоятельно.
Фронт пламени в общем случае определяется законом косинуса, а его устойчивость определяется стабилизацией зажигательного кольца. Поэтому определим основные зависимости стабильного факела.
Т.к. все горелки работают при переменных режимах, то возможны такие ситуации, когда скорость потока будет превышать U n , или возможна обратная ситуация.
Отрыв пламени связан с существованием зажигательно кольца и его разрушением. Отрыв произойдет в том случае, если скорость потока превысит критическую скорость отрыва (зона IIна рисунке 8).
На величину скорости отрыва будет влиять несколько факторов. С увеличением диаметра горелки его охлаждающая способностьуменьшается, ипредельная скорость отрыва пламени возрастает (прямые 3,2,1). С обеднением смеси (увеличение первичного воздуха)снижается предельная скорость отрыва. А с уменьшением количества первичного воздуха (диффузионное пламя) предельные скорости будут возрастать.
Проскок возникает тогда, когда U n превышает скорость потока пламени(зона 3 на рис.8).
Проскок пламени связан с охлаждающей
способностью стенок горелки. Условие
отсутствия проскока
.
С увеличением диаметра возрастает
нормальная скорость горения, тем при
прочих равных условиях вероятность
проскока увеличивается, тем больше
должна быть скорость потока, предотвращающая
проскок пламени (кривые 1,2,3 на рис. 8) 1 .
Максимальные скорости отсутствия
проскока будут наблюдаться при значения
избытка воздуха чуть меньших
стехиометрических. Охлаждение устья
горелки применяется для уменьшения
вероятности проскока.
Также существуют методы по стабилизации пламени.
рис 9. Стабилизация с помощью рис. 10. Стабилизация пламени
поджигающего кольца телом V-ой формы.
Н
а
рис. 9 показано устройство осуществляющее
стабилизацию за счет того, что газ через
каналы 2 газ поступает в кольцевую щель
3. При этом создается стабильное
зажигательное кольцо препятствующее
отрыву пламени. На рис. 10 показана
стабилизация потока теломV– образной формы. За счет завихрений
создается подобие зажигательного
кольца, и вероятность отрыва пламени
уменьшается (повышается предельная
скорость).
Туннельный стабилизатор изображен на рис. 11. Газовоздушная смесь выходит из горелки 1 в туннель 3, где образуется факел 2. К корню факела подсасываются продукты сгорания, создается зона возвратного их движения, образуя устойчивое кольцо зажигания. Т.к. если бы подсасывался холодный воздух, то это бы значительно ухудшало условия зажигания.
Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя.
Турбулентное называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.
при увеличении расхода, пламя меняет свою форму и становится беспокойным, закрученным вихрями, постоянно меняющейся формы, это – турбулентное пламя.
Такое поведение пламени при турбулентном режиме объясняется тем, что в зону горения начинает поступает гораздо большее количество горючего газа, то есть в момент времени должно окисляться все больше и больше горючего, что приводит к увеличению размеров пламени и дальнейшей его турбулизации.
Фронт пламени – тонкий поверхностный слой, ограничивающий пламя, непосредственно в котором протекают окислительно-восстановительные реакции.
Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.
Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пламени приведены на рис. 1.2.
Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10 -3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10 -3 –10 -6 с.
Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса пламени и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К.
Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.
Как отмечалось ранее, главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.
Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами.
Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (С О = 0) и в окружающем воздухе (начальная С О = 21%). С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается. Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при горении в замкнутых объемах.
Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения.
Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.
Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени.
Для заданной смеси горючего и окислителя высота пламени пропорциональна скорости потока и квадрату диаметра струи:
где - скорость потока;
Диаметр струи;
Коэффициент диффузии.
Но при этом форма пламени остается неизвестной и зависит от естественной конвекции и распределения температур во фронте пламени.
Эта зависимость сохраняется до определенного значения скорости потока. При возрастании скорости потока пламя турбулизируется, после чего прекращается дальнейшее увеличение его высоты. Этот переход совершается, как уже отмечалось, при определенных значениях критерия Рейнольдса.
Для пламен, когда происходит значительное выделение несгоревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность, т.к. трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени.
Кроме того, в пламенах, содержащих твердые частицы, по сравнению с пламенами, содержащими только газообразные продукты сгорания, значительно возрастает излучение.
