Горение газа вблизи пределов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность: 01.04.17-химическая физика, горение и взрыв, физика экстремального состояния вещества

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Горение газа вблизи пределов

Замащиков Валерий Владимирович

Новосибирск 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант доктор физико-математических наук. Бабкин Вячеслав Степанович

Официальные оппоненты

Доктор физико-математических наук Шмелев Владимир Михайлович, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Доктор физико-математических наук Васильев Анатолий Александрович, директор Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН

Доктор физико-математических наук, доктор философских наук Шарыпов Олег Владимирович, заместитель директора, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук.

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 003.014.01, на базе ИХКГ СО РАН, по адресу г. Новосибирск, ул. Институтская, д. 3

Ученый секретарь диссертационного совета, д.х.н. Онищук А. А.

Общая характеристика работы

газовый горючий смесь предел

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:

1. влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени;

2. динамики, структуры и пределов существования пламен, распространяющихся в потоке горючей смеси в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического;

3. переходов из обычного режима (без прогрева стенки) в новый режим с прогревом стенки и обратно;

4. режима и скоростных характеристик пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического;

5. нового режима с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического;

6. 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.

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.

Содержание работы.

Во введении дается определение понятию предела, и формулируется цель работы.

Первая глава посвящена пределам распространения пламени в трубах. В связи с важностью тепловой теории Зельдовича [1] для понимания процесса распространения пламени в узких каналах, в первой главе приводится эта теория. Кроме того, дается краткий обзор работ, посвященных зависимости концентрационных пределов распространения пламени от направления распространения пламени относительно вектора силы тяжести. Тепловая теория учитывает только кондуктивные теплопотери в стенку трубы, а они не зависят от направления распространения пламени. Однако опыты показали, что концентрационные пределы распространения пламени зависят от направления распространения пламени. Более того, эксперименты, проведенные в невесомости, показали, что гравитация оказывает существенное влияние на многие процессы, происходящие при горении [2]. При распространении пламени в трубе сверху вниз вследствие охлаждения продуктов горения температура продуктов уменьшается при удалении от фронта пламени. Создается условие для возникновения свободно конвективного движения. Возникновение свободно-конвективного теплообмена при определенных условиях может привести к гашению пламени.

В настоящей работе изучалось влияние диаметра трубы на пределы распространения пламени. Эксперименты проводились в вертикальных трубах с метано-воздушными смесями. Использовался набор стеклянных труб, диаметр которых изменялся от 0.45 до 16.7 см. Длина труб диаметром 0.45-2.2 см составляла 1 м, диаметром 3.7-16.7 см - 3 м. Опыты проводились по трем схемам: 1 - верхний конец трубы открыт, нижний закрыт фланцем, зажигание смеси постоянно действующим дежурным факелом, 2 - верхний конец открыт, нижний закрыт, зажигание дежурным факелом, гаснувшим в момент остановки потока смеси, 3- верхний конец закрыт, нижний открыт, зажигание искрой на оси трубы на расстоянии 3 см от верхнего фланца. В качестве критерия предела принималось распространение пламени на всю длину трубы. По полученной предельной концентрации метана в смеси рассчитывалась адиабатическая нормальная скорость пламени на пределе его распространения. Определялся только бедный концентрационный предел. На рис. 1 приведены все полученные результаты измерений пределов. Видно, что наблюдаются две характерные области. Для трубок диаметром d=0.45-2 см, когда основной вид теплообмена - кондуктивный, имеет место сильная зависимость предельной нормальной скорости от диаметра трубы: . Полученные результаты удовлетворительно согласуются с данными, приведенными в работах [3-5].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для трубок диаметром d=2-16.7 см предел не зависит от диаметра. Это можно связать с тем, что в этом случае возникает свободно конвективный теплообмен и именно он приводит к гашению пламени. Элементарная модель гашения свободно распространяющегося пламени построена Ловачевым [6]. В настоящей работе, основываясь на работе [7], получены предельные условия для распространения пламени сверху вниз при наличии свободно-конвективного теплообмена. В теоретической модели рассматривается движение фронта пламени по газовой горючей смеси в вертикальной цилиндрической трубе по направлению вектора силы тяжести. Также как в тепловой теории Зельдовича считается, что скорость пламени и давление постоянны, температура стенок трубы ? неизменна и равна температуре исходной смеси. Фронт пламени плоский. Скорость и температура газа зависят только от координаты, направленной вдоль оси трубы. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными показало хорошее согласие.

Согласие теории с экспериментом указывает на то, что гашение пламени в широких трубах происходит благодаря свободно конвективному теплообмену. Конвективный теплообмен можно усилить, создавая искусственные перегрузки. Для этого в настоящей работе горючую смесь, находящуюся в цилиндрическом сосуде диаметром 22.3 см и высотой 2.5 см, раскручивали вокруг оси с угловой скоростью . Смесь поджигалась в центре электрической искрой. Распространение пламени регистрировалось через стеклянное основание цилиндра методом непрерывной развертки. Использовались смеси метана с воздухом при начальном давлении 0.1, 0.15 и 0.2 МПа. Опыты показали, что при пламя распространяется осесимметрично по всему объему сосуда. Выгорание смеси полное. На заключительной стадии в продуктах сгорания наблюдается вторичное свечение, обусловленное сжатием продуктов горения - Махе-эффектом.

При пламя распространялось до некоторого критического радиуса и гасло. Выгорание смеси частичное. Махе-эффект отсутствует. Эксперименты показали, что с увеличением нормальной скорости ускорение, при котором происходит гашение, растет. Это согласуется с гипотезой о возможности гашения пламени благодаря конвективному теплообмену в продуктах горения.

Вторая глава посвящена исследованию процесса быстрого распространения пламени внутри трубки. После литературного обзора по данной теме приводится схема экспериментальной установки, описывается методика проведения экспериментов и анализируются полученные результаты. Эксперименты проводились в горизонтальных трубках. Через один конец трубки подавалась горючая смесь. Внутренний диаметр трубок больше критического. В качестве горючего газа использовались углеводородо-воздушные смеси. Измерялась средняя видимая скорость распространения пламени и форма фронта пламени. Обработка видеоматериала показала, что пламя либо аксиально-симметричное, либо имеет наклон вследствие свободной конвекции. 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 наблюдаются наклонные пламена. Поверхности симметричных пламен аппроксимируются частью сферы. Отклонение от сферы наблюдается лишь у стенки трубки, где пламя от нее “отходит”, становясь более плоским. Получены зависимость радиуса этой сферы от расхода горючего газа для симметричных пламен разного состава. Эксперименты показали, что при существенном изменении расхода кривизна пламени меняется незначительно. В работе приводятся зависимости радиуса фронта пламени от состава смеси для трех трубок. Радиус кривизны уменьшается при приближении к верхнему или нижнему концентрационным пределам.

Распространение пламени в узких трубках сопровождалось звуком. Сила звука зависела от диаметра трубки и состава смеси. При распространении пламени вдоль трубки акустические колебания постепенно усиливались и достигали максимума между 1/2 и 2/3 части трубки, считая от открытого конца. При этом средняя видимая скорость перемещения фронта горения уменьшалась, а фронт становился всё более плоским. Видео съемка показала, что пламя колеблется как целое, т. е. без заметного изменения поверхности за период колебаний, вплоть до области, где наблюдается максимальная амплитуда колебаний. Фронт во время колебаний остается симметричным. В области, где наблюдалась максимальная амплитуда колебаний, поверхность фронта горения изменялась: пламя выгибалось в сторону свежей смеси, поверхность увеличивалась, затем фронт становился почти плоским, но никогда не прогибался в противоположенную сторону, т. е. в сторону продуктов горения. Сила звука, амплитуда колебаний и поведение пламени после прохождения этой зоны зависели от диаметра трубки и от состава смеси. Для смесей близких к смеси, содержащий 5% пропана, в трубке диаметром 7 мм после того, как пламя становилось почти плоским в фазе увеличения поверхности, фронт горения резко ускорялся, происходила турбулизация горения. В трубке диаметром 3.2 мм турбулизация не происходила - пламя проходило место, в котором наблюдалась максимальная амплитуда колебаний, колебания затухали, видимая скорость возрастала. В трубке диметром 5.1 мм пламя в этом месте гасло. Причем гашение происходило в момент, когда поверхность пламени максимальна.

Получены зависимости средней скорости пламени от скорости поступающего в трубку горючего газа (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эти зависимости неплохо аппроксимируются прямой линией. При увеличении расхода видимая скорость уменьшается и когда она становится достаточно маленькой, наблюдается переход в режим с прогревом стенки (РПС). Необычное явление наблюдается при приближении к пределу по составу смеси. Когда расход небольшой, пламя способно распространяться по трубке, но, начиная с определенного расхода, наблюдается гашение, и только при достаточно больших расходах пламя опять распространяется по трубке, но уже в РПС. Зависимости видимой скорости пламени при нулевых расходах горючего газа от состава пропано-воздушной смеси показаны на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Видно, что для трубки диаметром 7.0 мм наблюдается два максимума. Резкий высокий экстремум связан с турбулизацией пламени, вызванной акустическими колебаниями. Второй экстремум соответствует максимуму скорости для случая, когда пламя не турбулизируется. Этот максимум определяется составом смеси и, по всей видимости, кривизной пламени. Видно, что эти максимумы смещены друг относительно друга. Это смещение можно объяснить тем, что для перехода из ламинарного в турбулентный режим важна не только величина нормальной скорости, но и состав смеси. По мере обогащения смеси пропаном фронт пламени становится, с одной стороны, менее устойчивым (эффекты числа Льюиса), а, с другой стороны, нормальная скорость уменьшается, и при каком-то составе реализуются наилучшие условия для турбулизации пламени. В трубке диаметром 5,1 мм второй максимум не наблюдается. В этой трубке переход из ламинарного режима в турбулентный не происходит. Мало того, как уже упоминалось выше, пламя смеси с 5.0 % пропана гаснет. В трубке диаметром 3,2 мм пламя распространяется без существенных особенностей. Как и следовало ожидать, диапазон существования пламени по составу смеси сужается при уменьшении диаметра трубки.

Третья глава посвящена исследованию горения жидкости в условиях ограниченного объема при наличии набегающего потока воздуха. В начале главы дается литературный обзор по данной теме. При перемешивании паров горючей жидкости с окружающим воздухом образуются смеси, которые в зависимости от вида горючей жидкости и ее температуры могут быть как горючими, так и негорючими. Если давление насыщенных паров жидкости такое, что концентрация горючего в получаемой смеси меньше концентрации этого горючего на нижнем концентрационном пределе, то горение этой смеси невозможно. Однако при этом возможно распространение волны горения над поверхностью горючей жидкости, если перед фронтом пламени может образоваться горючая смесь. Для этого необходимо, чтобы жидкость достаточно прогрелась, и ее пары успели перемешаться с воздухом. Это возможно, потому что температура газа во фронте пламени значительно увеличивается и, благодаря теплообмену между нагретым газом и жидкостью, температура последней повышается. Ранее проведенные эксперименты показали, что возможны два режима распространения пламени над жидкостью: равномерный и пульсационный [8]. Большинство экспериментов проводились без обдува пламени воздухом. В настоящем разделе приведены результаты экспериментального исследования влияния встречного воздушного потока на среднюю скорость распространения пламени над горючей жидкостью.

Эксперименты проводились в горизонтальной кварцевой трубке длиной 1 м. Внешний диаметр трубки - 11 мм, толщина стенки 1 мм. В качестве горючей жидкости использовался бутанол-1 (температура вспышки 350С). Один конец трубки соединялся с системой подачи воздуха. Инициирование волны горения осуществлялось через открытый конец. Пламя распространялось от открытого конца к закрытому против потока воздуха в пульсационном режиме. Наблюдаемые пульсации были негармоническими. Амплитуда колебаний зависела от глубины жидкости и расхода воздуха. Средняя скорость распространения пламени определялась по зависимости координаты фронта пламени от времени. Как правило, зависимости координаты пламени от времени аппроксимировались прямой линией. Эксперименты показали, что при небольших расходах воздуха скорость сильно зависит от температуры, при которой проводились эксперименты. Однако с ростом расхода наблюдалась тенденция к уменьшению чувствительности скорости к температуре. В связи с этим для того, чтобы уменьшить разброс данных, эксперименты проводились при изменении температуры в небольших пределах.

При измерении средней скорости распространения пламени важно знать глубину жидкости перед волной горения. В связи с этим по видеозаписям измерялся уровень жидкости перед фронтом пламени. Во всех экспериментах наблюдались тонкие, вытянутые пламена. С увеличением расхода воздуха длина пламени увеличивалась, возрастал перепад глубин жидкости перед и за волной горения. Если расход был достаточно большим, то за волной горения вся жидкость испарялась.

При малых и больших расходах происходило гашение пламени, то есть наблюдались верхний и нижний пределы по расходу воздуха. Причем поведение пламени перед гашением сильно отличались в этих двух случаях. С уменьшением расхода амплитуда колебания возрастала, она достигала нескольких сантиметров и пламя гасло. С увеличением расхода уменьшалась скорость пламени, пламя устанавливалось в месте изменения глубины жидкости, амплитуда колебаний уменьшалась. При еще больших расходах пламя сдувалось и гасло. Полученная зависимость средней скорости пламени от средней скорости газа при разных глубинах жидкости перед фронтом приведены на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Средняя скорость газа определялась по известному расходу и глубине жидкости перед пламенем. Видно, что с увеличением скорости встречного потока средняя скорость пламени уменьшается.

Для определения характера движения, совершаемого пламенем, производилась скоростная видеосъемка. Результаты отработки видеоматериалов показали, что с увеличением расхода колебания пламени становятся более гармоничными, а их амплитуда уменьшается. Фурье анализ полученных зависимостей координаты пламени от времени дал в диапазоне частот 0.5-250 Гц максимумы на частотах 7.8 и 15.6 Гц для расхода 14.6 см3/с. При расходах 17.4 см3/c и 21 см3/c пламя колебалось почти гармонично с частотами около 16 и 19 Гц, соответственно.

Можно ожидать, что, если поток воздуха сделать не постоянным, а изменяющимся во времени, то отклик пламени будет зависеть от частоты изменения скорости воздуха. Кроме того максимальный отклик будет наблюдаться на частотах, близких к характерным частотам колебания пламени. Результаты исследования, проведенного в настоящей работе, подтвердили это предположение. Эксперименты проводились в той же кварцевой трубке. Для модуляции потока воздуха дополнительно между трубкой и расходомером устанавливался динамик. На динамик подавался синусоидальный сигнал с генератора. Частота сигнала изменялась в диапазоне от 18 до 40 Гц. Для того чтобы убедиться в том, что средний расход газа не зависит от его модуляции, расход газа измерялся с помощью счетчика объема газа фирмы “Ritter” TG05 при наличии и отсутствии электрического сигнала на динамике. Расход при этом изменялся не больше, чем на 3.5 %. Это изменение лежит в пределах точности измерения расхода и его можно не учитывать.

Для того чтобы с большей точностью регистрировать изменение средней скорости пламени при наложении модуляции, динамик включался и отключался в течение одного опыта. Таким образом, часть пути пламя преодолевало при наличии модуляции, а часть при отсутствии модуляции. Если скорость пламени изменялась, то на зависимости координаты пламени от времени это было заметно.

Опыты показали, что амплитуда колебаний воздуха в трубке сильно уменьшалась с увеличением частоты. Вследствие этого, не удалось создать амплитуду колебаний, достаточную для оказания влияния на среднюю скорость пламени для частот больше 40 Гц. При этом колебания пламени были хорошо различимы и регистрировались с помощью скоростной камеры. Однако средняя скорость пламени в пределах точности не изменялась.

Заметное влияние на среднюю скорость пламени наблюдалось при частоте модуляций 30 Гц. При достаточно больших амплитудах модуляций пламя гасло. Причем, после подачи электрического сигнала на динамик пламя какое-то время распространялось, а затем гасло. Имелась тенденция к увеличению расстояния, прошедшего пламенем до гашения, с уменьшением амплитуды звука и увеличением расхода воздуха. При меньших амплитудах пламя не гасло. Полученная зависимость усредненной за период колебаний координаты пламени от времени для такого случая показала, что после включения модуляции средняя скорость сначала возрастает, а затем падает, то есть пламя распространяется с неодинаковой средней скоростью. С уменьшением напряжения, подаваемого на динамик, отклик средней скорости пламени на модуляцию становился все слабее. Зависимость координаты пламени от времени, полученная с помощью скоростной видеокамеры во время воздействия звука на пламя, показала, что при таких амплитудах модуляции пламя совершает почти гармонические колебания с частотой 30 Гц. Характер поведения, когда скорость пламени возрастает сразу после включения звука, а затем убывает, говорит о том, что, пламя либо загаснет, либо, в конце концов, начнет распространяться с постоянной средней скоростью.

Картина существенно меняется при частоте модуляции 18 Гц. В этом случае также наблюдается гашение, но уже при амплитудах колебаний пламени больше 21 мм. Зависимость усредненной за период колебаний координаты от времени для случая, когда пламя не гаснет, приведена на рис. 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Видно, что после включения модуляции, пламя после небольшого нестационарного участка распространятся с постоянной большей по величине средней скоростью. Были измерены отношения скорости пламени при наличии модуляции к скорости пламени без модуляции при разных амплитудах колебаний пламени (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Все эксперименты проводились при одном том же расходе 12.2 см3/с. Глубина жидкости от опыта к опыту менялась в диапазоне от 3.7 до 3.2 мм. Комнатная температура, а значит и температура жидкости, изменялась от опыта к опыту в диапазоне от 19.8 до 21.80С. Так как скорости пламени при воздействии 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.

Четвертая глава посвящена исследованию полученного впервые в настоящей работе режима горения газа в узких каналах - режима с прогревом стенки. В начале главы дается литературный обзор по данной теме, приводятся схема экспериментальной установки, описывается методика проведения экспериментов. Первая серия экспериментов проводилась в тонкостенной горизонтальной трубке, изготовленной из нержавеющей стали. В результате был получен режим распространения пламени, подобный тому, который наблюдается в пористой среде [9]. В работе [9] он назван режимом низких скоростей (РНС). Между режимами, наблюдаемыми в узкой трубке и в пористой среде, есть много общего, но есть и существенные различия. Чтобы различать эти режимы и подчеркнуть важность прогрева стенки трубки, в настоящей работе этот режим называется режимом с прогревом стенки. В первой серии экспериментов было показано, что пламя в этом режиме перемещается с почти постоянной скоростью, и были получены зависимости скорости от расхода горючего газа. Оказалось, что волна горения существует в определенном диапазоне расходов, то есть существует верхний и нижний пределы по расходу горючего газа. Однако эксперименты выявили недостаток стальной трубки - образование оксидной пленки. В дальнейшем эксперименты проводились в фарфоровых и кварцевых трубках, так как материал, из которых они изготовлены, более устойчивым к нагреву и химическим реакциям, чем нержавеющая сталь. Предварительные опыты показали, что в таких трубках, несмотря на существенно более толстые стенки, также наблюдается режим горения с прогревом стенки. Причем этот режим возможен и в трубках, диаметр которых меньше критического.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 7 приведены зависимости скорости пламени U от расхода горючего газа, полученные для трубок, изготовленных из разных материалов. Положительные значения U соответствуют движению пламени вниз по потоку горючего газа. При получении этих зависимостей расход горючего газа изменялся во всем диапазоне, в котором возможен режим горения с прогревом стенки трубки. В качестве горючего газа использовалась стехиометрическая метано-воздушная смесь. На рисунке видно, что увеличение внутреннего диаметра приводит к расширению пределов (1>2>5) по расходу Q и смещению кривых вниз. Также видно, что скорость пламени зависит от материала стенки. Кривые 1 и 4, полученные для фарфоровой и кварцевой трубок, имеющих одинаковые размеры, смещены друг относительно друга.

В трубках, диаметр которых больше критического, волна горения может распространяться в обычном режиме. При небольших расходах горючего газа скорость пламени относительно стенки трубки достаточно большая, поэтому стенка трубки вблизи фронта пламени не успевает прогреваться. Это означает, что нет потока тепла по стенке от продуктов горения в свежую смесь, и пламя распространяется в обычном режиме. На рис. 2 и 8 показаны типичные зависимости скорости пламени от скорости горючего газа в центре трубки при небольших расходах. Видно, что зависимости скорости пламени от скорости горючего газа в центре трубки представляют собой прямые линии. Однако с увеличением расхода, когда скорость пламени относительно стенки становится небольшой, наблюдается переход в режим с прогревом стенки трубки (на рис. 8 с прямой 1 на 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 8 видно, что при средних скоростях газа больше ~30 см/с возможны два режима распространения пламени: обычный (3) и режим с прогревом стенки (2). Обычный режим при проведении экспериментов получался следующим образом. В режиме с прогревом стенки трубка охлаждалась в том месте, где находилось пламя. Это приводило к резкому увеличению скорость пламени, то есть наблюдался переход в обычный режим (3). Особенностью такого перехода является то, что пламя распространяется по нагретой внешним источником (применялся для предотвращения конденсации воды в продуктах горения) и продуктами горения части трубки, поэтому экспериментальные точки не ложатся на прямую 1.

При значениях V>90 см/с переход из режима с прогревом стенки в обычный режим происходит самопроизвольно (с прямой 2 на 3 на рис. 8), без специального охлаждения стенки трубки. Переход, из-за быстрого изменения скорости пламени, сопровождается гашением пламени. Отметим, что с увеличением расхода возбуждаются акустические колебания, которые приводят к колебаниям пламени. Амплитуда колебаний растет с увеличением скорости горючего газа. Самопроизвольный скачкообразный переход из режима с прогревом стенки в обычный режим по этой причине происходит при меньших расходах. Очевидно, что когда пламя колеблется, тепловая связь между пламенем и стенкой ослабевает и это способствуют переходу в обычный режим.

Итак, с увеличением расхода горючего газа наблюдается постепенный переход из обычного режима (1, рис.8) в режим с прогревом стенки (2). При дальнейшем увеличении расхода возможны два варианта: перемещение вдоль прямой 2 (режим с прогревом стенки) и переход в обычный режим (3). Переход наблюдается, если, например, достаточно быстро изменить расход газа, так что стенка не успевает прогреться до температуры, необходимой для существования пламени в режиме с прогревом стенки при более высоком расходе. Или, если возникнут колебания, переход также становится более вероятным. При этом если даже нет факторов, способствующих переходу, то с увеличением расхода вероятность перехода с прямой 2 на 3 возрастает, и этот переход рано или поздно произойдет. Об этом говорит тот экспериментальный факт, что максимум температуры стенки, находящийся в продуктах горения, при увеличении расхода приближается к фронту горения. На верхнем пределе по расходу горючего газа максимум температуры стенки совпадает с координатой фронта горения, а так как максимум температуры стенки не может находиться перед фронтом, то при дальнейшем увеличении расхода невозможна стабилизация пламени на прогретой продуктами горения стенке трубки.

Отметим что, если после перехода в обычный режим (прямая 3) уменьшать расход, то сначала будет наблюдаться переход в режим с прогревом стенки (2), и только затем в обычный режим (1). Это объясняется тем, что при U>0 (прямая 3) пламя распространяется по прогретой продуктами части трубки. Заметим, что при увеличении толщины стенки, стенка будет прогреваться все меньше, и диапазон расходов, в котором возможен режим с прогревом стенки (длина участка 2), будет уменьшаться.

Зависимости U(Q) при разном содержании пропана в смеси показаны на рис. 9 и 10. Эти зависимости имеют одинаковый вид для разных типов горючего и разных материалов трубок. С увеличением Q скорость пламени растет. При приближении к концентрационным пределам зависимости U(Q) смещаются вверх. Это объясняется тем, что скорость перемещения пламени относительно стенки трубки U определяется разницей между скоростью горючего газа вблизи фронта и скоростью перемещения волны горения по горючей смеси (определяется нормальной скоростью). Так как фронт пламени не плоский, а скорость и температура газа зависят от радиальной координаты, то в каждой точке фронта скорость газа и нормальная скорость будут вычитаться так, что результирующая скорость распространения пламени вдоль оси трубки будет одинаковой на всей поверхности фронта. В противном случае процесс будет нестационарным. Тогда можно ввести понятие «средняя скорость горения газа». При данном Q большим значениям U соответствует меньшая «средняя скорость горения газа».

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальные точки, приведенные на рис. 9 и 10, перекрывают весь диапазон изменения Q, в котором существует режим с прогревом стенки трубки. Для сравнения на рис. 9 приведены данные для метана и для водорода. Во всех случаях при обогащении или обеднении смеси относительно стехиометрической сужается диапазон расходов, в котором существует пламя. При этом верхний предел по расходу горючего газа уменьшается, стремясь к нижнему пределу. Отметим, что, так как диаметр трубок меньше критического, то на верхнем и нижнем пределах по расходу горючего газа наблюдается гашение пламени.

Как видно на рис. 9 и 10, для метано- и пропано-воздушных смесей нижний предел распространения пламени по расходу горючего газа почти не зависит от содержания горючего в смеси. Эксперименты показали, что он также не зависит от материала трубки и теплообмена с окружающей средой. Мало того, согласно рис. 7, нижний предел для этих топлив слабо зависит от внутреннего диаметра трубки. Однако для водородно-воздушных смесей нижний предел по расходу горючего газа, в отличие от метановых и пропано-воздушных пламен, существенно зависит от состава смеси. Это связано с тем, что нижний предел зависит от теплофизических свойств горючей смеси. В метано- и пропано-воздушных смесях при изменении составов их теплофизические свойства изменяются незначительно из-за того, что объемная доля горючего в смеси невелика. Теплофизические свойства смесей, содержащих 15 и 70% водорода отличаются существенно, так как теплофизические свойства водорода и воздуха заметно различны.

Отметим особенности горения богатых водородно-воздушных смесей в режиме с прогревом стенки. Зависимости U(Q) для них приведены на рис. 11. Внутренний диаметр трубки для смесей с содержанием водорода 70% и 75.6% меньше критического, поэтому на нижнем пределе по расходу горючего газа пламя гасло. Диапазон расходов, при которых существует волна горения для смеси, содержащей 70% водорода, очень большой. Средняя скорость горючего газа в трубке в этом диапазоне Q изменяется от 0.8 до ~19 м/с, при этом число Рейнольдса Re достигает значения ~ 1500. Таким образом, движение горючего газа вдали от фронта можно считать ламинарным (Re<2000). Так как скорость пламени гораздо меньше скорости газа, то нормальная скорость в вершине пламени, если предположить, что пламя не имеет разрыва и цилиндрически симметричное, равна скорости газа в центре трубки. В случае справедливости этих рассуждений следует, что нормальная скорость в вершине пламени возрастает больше, чем в 20 раз (скорость газа в центре для пуазейлевского течения 38 м/с, нормальная скорость для смеси 70%H2+воздух -1.2 м/c, измерена в настоящей работе).

Все полученные зависимости температуры от времени при распространении пламени в режиме с прогревом стенки имеют одинаковый вид: температура стенки трубки повышается перед фронтом пламени, достигает своего максимума в продуктах и затем падает. Расстояние между положением максимума температуры стенки и положением фронта пламени уменьшается, а величина максимальной температуры стенки растет (рис. 11, 12) по мере увеличения расхода горючего газа, что может сопровождаться возрастанием температуры свежего газа, входящего в зону горения. Рост температуры свежего газа приводит к возрастанию скорости горения. Это происходит до того момента, пока максимум температуры стенки не будет находиться в месте расположения фронта пламени, после чего перестает расти и даже падает (рис. 12). Далее происходит переход в обычный режим (верхний предел по расходу газа), а если диаметр трубки меньше критического, то происходит гашение пламени. Отметим, что при больших значениях температуры стенки, когда свежий газ может прогреться вплоть до температуры самовоспламенения, величина скорости горения может расти в гораздо больших пределах, что должно приводить к существенному возрастанию верхнего предела. Это и наблюдается при горении водородно-воздушной смеси (рис. 11).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В режиме с прогревом стенки, как уже упоминалось выше, наблюдаются верхний и нижний пределы по расходу горючего газа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 13 построены зависимости верхнего и нижнего пределов по расходу горючего газа от состава смеси. Видно, что при обогащении и обеднении пропано-воздушной смеси относительно стехиометрической пределы по расходу сужаются и если пропана больше чем 5.5% или меньше 3.25%, то режим с прогревом стенок невозможен ни при каких расходах. Аналогично можно получить концентрационные пределы для метано-воздушных смесей, они равны ~ 11.2% и ~8.2%, соответственно.

Для метано-воздушной смеси справочное значение нижнего концентрационного предела, полученное при минимизации теплопотерь - 5.28%, верхнего -14.1% [10]. Для пропана-воздушной смеси справочное значение нижнего концентрационного предела - 2.3%, верхнего - 9.4%. То есть, диапазон существования пламени в режиме с прогревом стенки уже, чем для свободно распространяющего пламени при минимальных теплопотерях (только за счет радиации). Это вполне объяснимо тем, что в режиме с прогревом стенки теплопотери от прогретой трубки в окружающую среду значительны. Однако трудно объяснить то, что для водородно-воздушной смеси в режиме с прогревом стенки верхний концентрационный предел, полученный в настоящей работе, близок к справочному значению предела - 75% [10]. В том, что концентрационные пределы могут расширяться, ничего удивительного нет. Известно, что при определенных условиях пределы существования волны горения в пористой среде, либо в специальных горелочных устройствах, в которых тепло от продуктов горения эффективно возвращается в горючую смесь, могут быть шире, чем справочные [11, 12]. Однако в этих устройствах теплопотери не так значительны, как в одиночной трубке.

Концентрационные пределы распространения пламени определяются теплопотерями из фронта пламени и поэтому зависят от внутреннего диаметра трубки. С уменьшением внутреннего диаметра нижний концентрационный предел увеличивается, а верхний уменьшается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 14 показаны зависимости бедного и богатого концентрационных пределов распространения пламени в режиме с прогревом стенки от внутреннего диаметра трубки. С увеличением диаметра трубки концентрационная область существования режима с прогревом стенки расширяется и с бедной и с богатой стороны. Для сравнения на этом же рисунке приведены экспериментально определенные пределы распространения пламени в тех же трубках методом проскока пламени (обычный режим). Видно, что в режиме с прогревом стенки пределы шире.

В узких каналах и щелях, с одной стороны, возможен режим с прогревом стенки, с другой стороны, массовая скорость сгорания ограничена из-за малости размеров. Возможный путь преодоления этой трудности - это повышение давления. Эксперименты проводились в кварцевой горизонтальной трубке: внутренний диаметр -3.8 мм; внешний - 6 мм, длина трубки 48 см. В качестве горючих газов использовались метано- и водородно-воздушные смеси.

Для стехиометрической метано-воздушной смеси были получены экспериментальные зависимости U(Q) при двух давлениях 1 и 2.1 атм. Возникли трудности с получением режима с прогревом стенки при повышенных давлениях. Рост давления приводил к возникновению акустической неустойчивости. Колебания пламени вызывали изменение его скорости, и даже гашение. С увеличением расхода амплитуда колебаний возрастала, поэтому удалось получить режим с прогревом стенки при 2.1 атм. только при небольших расходах. Увеличение давления приводит к уменьшению скорости пламени, то есть к увеличению средней скорости горения. Увеличение средней скорости горения возможно: из-за увеличения нормальной скорости с возрастанием давления, из-за изменения поверхности пламени, из-за большего прогрева горючей смеси, входящей во фронт пламени, нагретой стенкой трубки. Согласно [13] нормальная скорость уменьшается с ростом давления. Поверхность при тех же средних скоростях газа изменяется незначительно, поэтому увеличение средней скорости горения связано с более сильным прогревом стенки трубки.

Для более детального исследования влияния давления на скорость пламени была выбрана богатая водородно-воздушная смесь (70%H2).Это связано с тем, что ранее проведенные эксперименты показали, что горение таких смесей более устойчиво к акустическим возмущениям. Это позволило исследовать горение в режиме с прогревом стенки во всем возможном для данной установки диапазоне давлений. Полученные зависимости U от средней скорости горючего газа приведены на рис. 15.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Видно, что с ростом давления скорость пламени U не уменьшается. Предположим, что нормальная скорость не зависит от давления. Тогда, как уже упоминалось выше, увеличение давления при прочих равных условиях, то есть неизменной нормальной скорости и площади поверхности фронта горения, приводит к возрастанию массовой скорости сгорания и, как следствие, к увеличению температуры стенки трубки и потока тепла по ней от продуктов в свежую смесь. Повышение температуры стенки и увеличение потока тепла из продуктов в свежую смесь, в свою очередь, должно приводить к увеличению нормальной скорости и средней скорости сгорания, а это в свою очередь к уменьшению скорости пламени. Однако в данном случае это не наблюдается. Можно предположить, что это связано со значительным уменьшением нормальной скорости с ростом давления. В настоящей работе были проведены 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. Измерения показали, что, действительно, в этом диапазоне давлений с ростом давления в 4 раза нормальная скорость уменьшается почти в 3 раза.

В настоящей работе была создана оценочная теоретическая модель горения в режиме с прогревом стенки. Модель строится на основе представлений, заложенных в работе [14]. Гомогенная горючая смесь, по которой распространяется пламя, движется в трубке. Если скорость ее движения такова, что фронт пламени перемещается достаточно медленно относительно стенки трубки, стенка может существенно прогреваться, благодаря чему поток тепла от продуктов сгорания по стенке в свежую смесь станет значительным. Это приведет к повышению нормальной скорости и стабилизации пламени на прогретом участке трубки. Становится возможным взаимозависимое перемещение волны горения и тепловой волны в стенке трубки.