Горение газа вблизи пределов

На основе этих представлений построена упрощенная математическая модель, в которой приняты следующие допущения. Плоский фронт пламени распространяется по движущейся горючей смеси равномерно со скоростью U относительно лабораторной системы координат, поэтому в системе координат, связанной с фронтом пламени, все переменные не зависят от времени. Газ считается идеальным. Скорость его движения относительно стенки трубки, температуры газа и стенки в системе отсчета, связанной с фронтом, зависят только от координаты, направленной вдоль оси трубки. Это допущение значительно упрощает задачу, однако делает маловероятным получение количественного согласия с экспериментом. Так как давление в трубке изменяется незначительно, считается, что оно постоянно.

Сравнение теории с экспериментом показало, что основные тенденции теория описывает правильно. Что говорит о том, что физические процессы, заложенные в модели, действительно играют определяющую роль при распространении пламени в режиме с прогревом стенки.

Пятая глава посвящена исследованию горения газа в узких щелях. В начале главы дается литературный обзор по данной теме, приводится схема экспериментальной установки, описывается методика проведения экспериментов. Были проведены две серии экспериментов на установках, состоящих из двух горизонтальных параллельных кварцевых дисков. Диаметр дисков в первой серии 50 мм, толщина -1.5 мм, во второй серии - 51.5 мм, толщина -2.1 мм. Горючий газ в обеих сериях подавался через отверстие в центре нижнего диска. Расстояние между дисками можно было плавно изменять. Эксперименты проводились с бедными водородно-воздушными смесями. Было показано, что возможна стабилизация пламени в междисковом пространстве при расстоянии между дисками существенно меньше критического. Это возможно благодаря прогреву дисков продуктами горения.

В случае, когда стабилизация пламени возможна, пламя устанавливается на определенном расстоянии от центра диска. На дисках наблюдается светящееся кольцо, ширина которого зависит от расстояния между дисками, расхода горючего газа и состава смеси. При уменьшении зазора между дисками внутренняя граница (в области свежей смеси) кольца становится более четкой. Ширина кольца, как правило, неодинаковая. В том месте, где оно более широкое, оно и более яркое. Когда стабилизация пламени невозможна, кольцо разрывается там, где его ширина и яркость минимальны. Были получены зависимости радиуса кольца от расхода горючего газа и состава горючей смеси при разном расстоянии между дисками. С увеличением расхода горючего газа радиус кольца возрастает, при уменьшении расстояния между дисками при неизменном расходе стационарное положение пламени смещается к краю диска. Изменение состава смеси в сторону увеличения нормальной скорости приводит к уменьшению диаметра кольца при прочих равных условиях. Если предположить, что фронт пламени симметричен относительно плоскости, делящей пополам зазор между пластинками, тогда нормальная скорость в центре зазора должна быть равна скорости, входящего во фронт пламени горючего газа. В противном случае светящееся кольцо должно перемещаться относительно дисков. Знание диаметра светящегося кольца d и соответствующего ему расхода горючего газа позволяет оценить среднюю скорость газа , втекающего во фронт пламени, приведенную к комнатной температуре. По средней скорости можно судить о величине нормальной скорости пламени (). Были построены зависимости средней скорости от диаметра светящегося кольца для разных смесей, расходов и зазоров между пластинами. Как и следовало ожидать, средняя скорость газа в месте расположения пламени меняется при изменении состава смеси. Сравнение полученных скоростей с нормальными скоростями для исследуемых пламен показало, что даже если ошибка в определении ширины зазора между дисками для зазора ~0.1 мм достигает 100%, отношение скорости для смеси, содержащей 18% водорода, к ее нормальной скорости больше 10.

Фотографии пламени показали, что сразу после того, как оно входит в пространство между дисками, оно излучает яркий желтый свет. Иногда наблюдаются две желтые полосы, касающиеся поверхности диска, при этом в середине зазора интенсивность свечения слабее. По мере перемещения пламени к центру интенсивность желтого свечения уменьшается. В стационарном положении фронт пламени узкий и излучает синий свет.

Было проведено численное моделирование процесса газового горения в междисковом пространстве. В двухмерной модели детальная кинетика заменялась одностадийной реакцией, учитывалась диффузия частиц, теплообмен между газом и дисками. Считалось, что течение газа между дисками - вязкое. Так как число Маха невелико, то это позволяло воспользоваться неупругим приближением, при котором отфильтровываются акустические волны. Задача решалась в цилиндрических координатах. Полученные значения скоростей горения оказались существенно меньше экспериментальных. Учет радиационного теплообмена также не позволил получить согласие с экспериментом. Получить значения скоростей близкие к экспериментальным удается, если предположить, что предэкспонента больше в пристеночной области.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 16 показаны экспериментальные (непрерывные линии) и теоретические зависимости скорости от ширины щели. Пунктирные линии на рисунке соответствуют случаю, когда предэкспонента везде одинаковая, прерывистая линия - предэкспонента в пристеночной области больше.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 17 показаны экспериментальная (квадраты) и теоретическая (линия) зависимости температуры диска от расстояния до фронта горения, а также теоретические зависимости нормализованной скорости и плотности газа от расстояния до фронта горения. Фронт пламени находится в начале координат, продукты находятся в области отрицательных координат.

Шестая глава посвящена исследованию неустойчивого режима газового горения между двумя дисками. Если расстояние между дисками существенно меньше критического, то при инициировании горения на выходе из щели пламя не может проникнуть в пространство между дисками. При достаточно больших расходах оно устанавливается по окружности на краю дисков. Однако если уменьшать расход, то пламя установиться уже не может и в этом случае можно получить вращающиеся пламена. Экспериментальная установка состояла из двух круглых одинаковых металлических дисков диаметром 118 мм. Диски располагались один над другим, расстояние между ними - около 1 мм. В центре нижнего диска было сделано отверстие, через которое подавалась горючая смесь. В качестве горючих смесей использовались пропано-воздушные смеси. При малых расходах горючей смеси пламя после инициирования устремлялось в пространство между дисками и гасло, так как расстояние между дисками меньше критического. С увеличением расхода волна горения распространялась по окружности дисков на все большее расстояние. Наконец, при расходах, когда средняя скорость горючего газа на выходе из дисков, определенная как отношение расхода к площади щели, через которую смесь выходила в свободное пространство, достигала значения порядка 10 см/c, пламя могло распространяться на всю длину окружности. При этом после инициирования либо два очага распространялись навстречу друг другу и гасли в месте встречи, либо, если удавалось инициировать один очаг, волна горения перемещалась по окружности дисков. При дальнейшем увеличении расхода становилось возможным одновременное существование двух “бегающих” очагов, а при еще большем расходе наблюдалось три очага. Вероятно, при определенных условиях можно получить и большее количество одновременно существующих очагов. Кроме того, обнаружено, что при достаточно больших расходах горючего газа возможна ситуация, когда два очага, распространяясь навстречу друг другу, в месте встречи не гасли, а снова распространялись навстречу друг другу.

Если расстояние между дисками больше критического, то пламя проникает в междисковое пространство, и наблюдается нестационарное горение. Причем, если скорость небольшая, то пламя устанавливается на входном отверстии, через которое поступает горючий газ. А если скорость такая, что пламя не может в этом месте установиться, тогда наблюдается нестационарное горение. Причиной нестационарного горения может быть гидродинамическая неустойчивость. Любое искривление пламени, находящегося в междисковом пространстве, в одном месте приводит к изменению поля скоростей и, как следствие, к изменению положения фронта пламени в других местах. Прогрев дисков также может оказать влияние на процесс горения. В связи с этим наблюдается большое многообразие явлений при горении в таких условиях. Например, наблюдается спиновое горение. Экспериментальная установка состояла из двух кварцевых параллельных дисков толщиной 1.5 мм. Диаметр дисков 50 мм. Диски располагались один над другим. Горючий газ подавался через отверстие в центре нижнего диска. Перед экспериментом расход горючего газа подбирался такой, чтобы в пространстве между дисками выполнялось условие для установления пламени. Расстояние между дисками устанавливалось больше критического (2.03 мм), и осуществлялся поджиг смеси. Пламя устремлялось в междисковое пространство. Если смотреть сверху, то пламя представляло собой широкое синее неправильной формы кольцо, причем на некоторых участках оно выходило наружу из пластинок, а на некоторых - постоянно перескакивало из одного положение в другое, при этом изменялось расстояние от центра диска до пламени. Горение сопровождалось характерным звуком.

Для смеси, содержащей 10% метана в воздухе, при уменьшении расхода газа синее светящееся кольцо становилось все более симметричным и, наконец, при расходах около 45 см3/c наблюдалось спиновое горение, т. е. по окружности перемещался достаточно длинный очаг пламени (это показала скоростная видеосъемка). Ширина светящегося кольца составляла около 1/4 части от радиуса диска при расстоянии между дисками 3 мм. Кольцо полностью находилось в пространстве между пластинками. При расстоянии между пластинками 3 мм частота вращения ~ 40 Гц. Необходимо отметить, что не всегда горение переходило сразу в спиновое. Иногда наблюдались переходные картинки: пламя стабилизировалось на части окружности, а по другой двигался очаг, иногда скорость вращения “спина” изменялась, прежде чем установиться. С уменьшением ширины зазора до 2 мм при постоянном расходе горючего газа частота вращения возрастала до 82 Гц, и кольцо пламени становилось еще более широким (имеется в виду светящаяся область). Расстояние от места нахождения пламени до точки подачи горючей смеси при этом если и изменялось, то незначительно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 18 показана зависимость видимой скорости перемещения очага пламени по окружности от расхода горючего газа. Видно, что с увеличением расхода скорость возрастает.

Основные результаты и выводы

1. На основе развитых представлений о роли гравитационной конвекции в гашении газового пламени в строгой постановке аналитически решена задача о критическом условии в области совместного влияния кондуктивного и свободно-конвективного теплообмена. Экспериментально показана независимость предела распространения пламени сверху вниз от диаметра трубы в области параметров, предсказанных теорией.

2. В трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического, исследованы особенности распространения пламени в обычном режиме в потоке горючего газа.

3. В трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического, получены и исследованы режимы и скоростные характеристики газофазных пламен, распространяющихся над горючей жидкостью. Изучено влияние на среднюю скорость пламени как скорости потока воздуха, так и частоты и амплитуды ее модуляции.

4. Обнаружен неизвестный ранее режим горения - режим c прогревом стенки. Установлена область существования нового режима. Исследованы переходы между новым режимом и режимом без прогрева стенки (обычный режим).

5. Обнаружен и исследован режим с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического. Получены скоростные и структурные характеристики, а также изучено влияние размеров трубки, материала стенки трубки, состава смеси, типа горючего и давления на скорость пламен.

6. Разработано оригинальное горелочное устройство, пригодное для решения широкого спектра научных и прикладных задач. Оно обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с известными устройствами: позволяет изменять в широких пределах размер рабочего пространства, стабилизировать фронт пламени в широком диапазоне расходов горючей смеси, визуализировать процесс горения, определять скоростные, структурные, критические характеристики горения, изучать неустойчивость фронта пламени, в частности, спиноподобные, хаотические колебательные режимы горения. Этот тип горелки в настоящее время используется в других лабораториях мира в исследовательских целях.

7. Получены и изучены стабилизированные пламена в предложенном горелочном устройстве при размере рабочего пространства существенно меньше критического. Обнаружены аномально высокие скорости сгорания. Создана двухмерная нестационарная модель процесса.

8. Обнаружены и изучены вращающиеся и спиновые пламена. Установлены условия их существования, скоростные характеристики, динамика переходных процессов, природа и особенности этих явлений.

Литература

1. Зельдович Я.Б. Теория предела распространения тихого пламени.// Ж. эксп. и теор. физ. 1941, Т. 11, №1, с. 159-169.

2. Ronney P.D. Understanding combustion processes through microgravity research// Proc. Combust. Inst.. 1998. v. 27 p. 2485-2506

3. Льюс Б., Эльбе Г. Горение Пламя и Взрывы в Газах// Второе издание. Перевод с английского под реакцией Щелкина К. И. и Борисова А. А. Изд-во, Мир, М. 1968

4. Coward H. F. and Jones G. W. US Bureau of Mines Bull. 503. Washington. 1952

5. Jarosinski J. and Strehlow R. A. Lean Limit flammability study of methane-air mixture in a square flammability tube// AAE Technical Report 73-3. UILU - Eng 78-0503. University of Illinois. 1978

6. Lovachev L. A. The theory of Limits on flame propagation in gases// Combust. Flame V.17, P:273-1971

7. Бабкин В. С., Бадалян А. М., Никулин В. В. Влияние гравитационной конвекции на пределы распространения пламени//Сб. Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение гетерогенных и газовых систем. Черноголовка, 1977, c. 39-42.

8. Ross Howard D., Miller Fletcher J. Detailed Experiments of flame spread across deep butanol pools// 26 Symp. (International) on Combustion/The Combustion Institute. 1996. p. 1327-1334

9. Бабкин В. В., Дробышевич В. И., Лаевский Ю. М., Потытняков С. И. Фильтрационное горение газов// ФГВ, 1983, T. 19, № 2, c. 17-26

10. Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов и средства их тущения: Справочник// Под ред. Баратова А.Н. и Корольченко А.Я. М.: Химия, 1990

11. Lloyd S A, Weinberg F J. A burner for mixtures of very low heat content// Nature. 1974, V. 251, P. 47-59.

12. Jones A.R., Lloyd S.A., Weinberg F.J. Combustion in heat exchangers// Proc. Roy. Soc. London. 1978, A. V. 360, P. 97-115

13. Hassan M. I., Aung K. T., and Faeth G. M. Measured and Predicted Properties of Laminar Premixed Methane/Air Flames at Various Pressures// Combust. and Flame. 1998, V. 115, P. 539-550.

14. Лаевский Ю.М., Бабкин В.С. Фильтрационное горение газов //Распространение тепловых волн в гетерогенных средах: Сб. науч. тр./ Под ред. Ю.Ш. Матроса. Новосибирск: Наука, 1988, C. 108-145.

15. Ju Yiquanq, Xu B. Theoretical and experimental studies on mesoscale flame propagation and extinction// 30 Symp. (Intern.) on Combustion. 2004. P. 2445-2453.

Публикации автора по теме диссертации

1. В. В. Замащиков. Некоторые закономерности распространения газового пламени в узких трубках// ФГВ, 2004, т. 40, № 5, c. 53-61.

2. В. В. Замащиков, Я. В. Козлов, А.А. Коржавин, В.С. Бабкин. Горение газа в узких одиночных каналах// ФГВ, 2010, т. 46, № 2, c.42-49.

3. Замащиков В. В. Деформация пламени// Ползуновский вестник. Алтайский технический университет им. Ползунова. 2010, № 1, с. 165-169.

4. В. С. Бабкин, В. В Замащиков, А.М. Бадалян, В.Н. Кривулин, Е.А. Кудрявцев, А.Н Баратов. Влияние диаметра трубы на пределы распространения гомогенных газовых пламени// ФГВ, 1982, т. 18, № 2, с. 44-52.

5. В.С.Бабкин, А.М.Бадалян, А.В.Борисенко, В.В.Замащиков. Гашение пламени во вращающемся газе. ФГВ, 1982, т. 18, № 3, c. 17-20.

6. В. В Замащиков. Горение газа в тонкостенной трубке малого диаметра// ФГВ, 1995, т. 31, № 1, с. 20-22.

7. В. В.Замащиков. Экспериментальное исследование закономерностей газового горения в узких трубках. ФГВ, 1996, т. 32, № 1, c. 42-47.

8. V. V. Zamashchikov. Experimental investigation of gas combustion regimes in narrow tubes// Combustion and Flame, 1997, V. 108, p. 357-359.

9. В. В. Замащиков, Я. В. Козлов, А.А. Коржавин, Ю.М. Лаевский, В.С. Бабкин. Особый режим фильтрационного горения газов// ДАН, 2009, т. 428, № 4, c. 484-486.

10. В. В. Замащиков. Особенности горения пропано- и водородно-воздушных смесей в узкой трубке// ФГВ, 1997, т. 33. № 6, с. 14-21.

11. V. V.Zamashchikov. An investigation of gas combustion in a narrow tube// Combust Sci Technol. 2001, V. 166, p. 1-14.

12. В. В. Замащиков, В. А Бунев. Об оценке эффективности действия ингибиторов на горение газов // ФГВ. 2001, т.37, № 4, с. 15-24.

13. В. В. Замащиков. О горении газа в узкой трубке// ФГВ. 2000, т. 36, № 2, с. 22-26.

14. В. В. Замащиков, С. С. Минаев. Пределы распространения пламени в узком канале при фильтрации газа// ФГВ, 2001, т. 37, № 1, с. 25-31.

15. B. B. Замащиков. Газовые вращающиеся пламена// ФГВ, 2003, т.39, № 2, с.9-10.

16. В.В. Замащиков Спиновое газовое горение в узкой щели// ФГВ, 2006, т. 42, № 3, с. 23-26.

17. В. В. Замащиков. Распространение пламени над поверхностью жидкости в канале ограниченного сечения в условиях набегающего потока воздуха// ФГВ, 2008, т. 44, № 1, с. 29-34.

18. V. V. Zamashchikov. Flame spread across shallow pools in modulated opposed air flow in narrow tube// Combust. Sci. Tech., 2009, V. 181, № 1, p. 176 - 189.

19. В. В. Замащиков. Распространение пламени над жидкостью при наличии набегающего потока газа// Материалы международной конференции. Томск. 2007, c. 77.

20. V. V. Zamashchikov. Flame spread across butanol pool under forced opposed-flow// International Conference on Methods of Aerophysical Research. ICMAR 2008, Novosibirsk. Abstracts. v.2, p. 245-246.

21. В. В. Замащиков. Влияние модуляции скорости набегающего газа на скорость распространение пламени над поверхностью жидкости. ФГВ, 2009, т. 45, № 1, с. 1-7.

22. V.V.Zamashchikov. Burning in narrow channel at an elevated pressure//7th International seminar on flame structure. Novosibirsk July 11-19, 2011, Book of Abstracts, p. 72.

23. V. Zamashchikov and E. Tikhomolov. Sub-critical stable hydrogen-air premixed laminar flames in micro gaps. International Journal of Hydrogen Energy. July 2011, V. 36, № 4, p. 8583-8594.

24. Замащиков В. В. Горение газов в узком канале при повышенном давлении// ФГВ, 2012 Т. 48, №4

Размещено на Allbest.ru