Стационарный фронт - пламя
Cтраница 1
Стационарный фронт пламени может образоваться и поддерживаться, если скорость передачи тепла в зону рециркуляции через разграничительную линию тока PS ниже фронта пламени по направлению потока вместе со скоростью выделения тепла при химической реакции в самой зоне рециркуляции достаточна для компенсации тепловых потерь из зоны рециркуляции зоны в поток свежей смеси по линии ОР. Этот баланс устанавливает и поддерживает фронт пламени в указанном положении1) и определяет среднюю температуру зоны рециркуляции. Общее решение аэротермохимической проблемы стабилизации пламени телом шюхообтекаемой формы в настоящее время еще невозможно. Строгий метод решения требует знания определяющих процесс уравнений, а также их граничных условий, которые даже нельзя записать в достаточно ясной форме. [1]
Дальнейшее рассмотрение теории стационарного фронта пламени в однородных газовых смесях ( см. § 2) произведено Хиршфельдером, Кер-тисом и Кэмпбеллом [ 62, стр. Их теория содержит условия перехода к детонации. Другой вывод системы уравнений фронта пламени был сделан Карманом и Пеннером [ 63, стр. [2]
Если эта скорость незначительно превышает скорость реакции, протекающей в обычном стационарном фронте пламени, то градиенты концентрации, возникающие в указанный промежуток времени, являются сравнительно плоскими, а количество тепла, выделяемого реагирующими веществами, диффундирующими в ядро пламени, относительно невелико. С другой стороны, если в течение указанного промежутка времени скорость химической реакции в ядре пламени значительно больше, чем в обычном пламени, то градиенты концентрации являются сравнительно крутыми, и диффузия реагирующих веществ играет существенную роль в суммарной величине тепловыделения. В богатых смесях обычная реакция в пламени протекает при высоких температурах и высокой концентрации свободных радикалов, так что дополнительная роль искры к этим основным компонентам, участвующим в хи-мической реакции, по-видимому, сравнительно невелика. В обычном пламени бедных смесей температура и концентрация свободных радикалов относительно низкие, так что можно ожи-дать, что роль искры будет весьма существенной. Таким обра-зом, можно предположить, что описанное соотношение между суммарной теплотой пламени и энергией искрового зажигания определяется влиянием искры, ускоряющим химическую реакцию. Это влияние мало в богатых и велико в бедных смесях. [3]
При сжигании горючих газов в потоке газ и воздух или предварительно приготовленная смесь непрерывно подаются в стационарный фронт пламени. [4]
В потоке горючей смеси, входящей в пламя со скоростью, равной скорости его распространения, должен установиться стационарный фронт пламени. Однако в действительности одного этого условия оказывается еще недостаточно, ибо самые малые местные колебания скорости потока или скорости распространения пламени, например вследствие искривлений его поверхности, могут привести к нарушению равновесия и смещению фронта пламени. Поэтому для установления стационарного пламени необходимы дополнительные условия, обеспечивающие его стабильность. Стабилизация пламен в ламинарных и турбулентных потоках, представляющая особый технический интерес, по существу всегда основана на создании фиксированного источника непрерывного поджигания горючей смеси продуктами ее сгорания - например, в кольцевом пространстве, отделяющем конус пламени от края горелки, или в зоне рециркуляции за плохо обтекаемым телом, помещенным в потоке горючей смеси. [5]
 |
Схема факела. ОА и ОВ - границы зоны горения. - i - - - - - линии тока. [6] |
Несмотря на то, что отдельные частицы находятся в турбулентном движении, осредненное положение линий тока в зоне горения стационарного фронта пламени может быть определено. [7]
При рассмотрении фотографий такого ( косого) фронта пламени, произведенных с малыми экспозициями, легко заметить, что поверхность стационарного фронта пламени в турбулентном потоке сильно искривлена пульсациями. Сам по себе фронт пламени имеет ничтожную толщину, но вследствие пульсаций он непрерывно перемещается как вдоль, так и поперек потока в пределах определенной зоны, границы которой зависят в основном от турбулентных характеристик потока. Мгновенный тонкий фронт пламени, достаточно гладкий у среза сопла, становится все более извилистым по мере удаления его от среза сопла. [8]
Когда граница Ъ доходит до положения максимума кривой температуры ( стадия 3), обратный поток тепла делается очень малым, и если при этом остается достаточный избыток энтальпии, то фронт разовьется в стационарный фронт пламени. Это обязательно произойдет, когда температура тела лишь немного ниже адиабатической температуры горения Т1 - При уменьшении температуры тела кривые температур и избытка энтальпии располагаются все ниже и становятся более плоскими; наконец, если остающийся избыток энтальпии распределится по зоне, ширина которой превышает предельную ширину, то фронт выродится в температурную волну. [9]
Теоретическое изучение фронта пламени основывается на решении гидродинамических уравнений совместно с уравнениями диффузии и скорости химической реакции. Формулировка основных уравнений для случая стационарного фронта пламени принадлежит Дамкелеру [ 1; 2, стр. Более полная постановка задачи, включающая также случай нестационарного распространения пламени, была сформулирована Хиршфельдером и Кертисом [ 3, стр. Они учитывали: 1) уравнение состояния, обычно принимаемое таким же, как для совершенного газа; 2) уравнение движения; 3) уравнение сохранения энергии и 4) одно уравнение неразрывности, включающее члены, соответствующие процессам диффузии и химической кинетики, для каждого химического компонента. Мы сначала рассмотрим вывод уравнений для простейшего случая, а именно для случая стационарного распространения одномерного фронта пламени. [10]
Равенство концентрационных пределов и пределов воспламенения достигается только при мощном источнике зажигания. Склонность смеси к воспламенению характеризуют еще энергией, которую необходимо локально подвести к смеси, чтобы возникший начальный очаг горения вызвал образование стационарного фронта пламени. [11]
Рассмотрим пример, более близкий к работе горелок: будем выпускать хорошо перемешанную смесь газа с воздухом с небольшой скоростью из трубки в атмосферу. Если скорость смеси одинакова по всему сечению и равна скорости распространения пламени, то при поднесении горящего запальника к какому-либо сечению потока в нем образуется поперечный стационарный фронт пламени, неподвижно расположенный в пространстве. В результате этого фронт пламени не может сохранить плоскую форму, перекашивается и при круглом устье трубки приобретает вид конусов, вставленных друг в друга. Рассмотрим какую-то точку Б ( рис. 15), расположенную, на поверхности внутреннего конуса пламени, в которой скорость потока шп направлена вверх. Так как такое же явление происходит со всеми точками фронта пламени, расположенными на наклонных поверх-ностях конуса, имеющими некомпенсированную составляющую скорости wu sin ф, то, следовательно, пламя постоянно сносится вверх к вершине конуса, где должно погаснуть. [12]
Применим теперь принципы перехода от нестационарного состояния к стационарному, которое иллюстрировано на рис. 40, к проблеме пределов воспламенения. То, что путем изменения состава или уменьшения давления можно достигнуть истинных пределов устойчивости фронта, не является непосредственно очевидным. Общее; уравнение стационарного фронта пламени применимо к любой среде, выделяющей тепло, и может предсказать только расширение зоны горения или уменьшение скорости ее распространения при изменении параметров в направлении уменьшения скорости реакции. Поэтому ложно было бы предположить, что пределы воспламенения являются не истинными, а практическими пределами, определяемыми конечными размерами сосуда и конвективными возмущениями в очень медленно движущемся фронте пламени. Однако такое предположение невероятно, так как в жидких и твердых взрывчатых средах точно определенные пределы получены, а опыты с газовыми смесями приводят к гыводу, что скорость распространения не уменьшается до нуля с приближением к пределу. При обсуждении рис. 40 показано, что устойчивость стационарного состояния зависит от величины области перекрытия кривых W и к. W и Wj, когда зона горения имеет ширину, большую, чем в стационарном состоянии. При математическом рассмотрении вопроса должны быть определены производные функций W и м, в зависимости от ширины зоны реакции. Если производная W больше, чем производная н, а величина W также больше м: , то фронт возвращается в стационарное состояние; если производная W меньше, чем производная MJ, то стационарное состояние не достигается, так как малое изменение ширины зоны горения вызывает вырождение этой зоны в температурную волну. [13]
Если на пути газового потока поместить какое-либо препятствие, например проволоку, то за препятствием образуется вихревая зона. Если поток состоит из горючей газовой смеси, то пламя, которое в отсутствии препятствия уносилось бы потоком, часто оказывается способным удерживаться в зоне турбулентного следа за препятствием, где скорость гораздо меньше скорости основного потока. Пламя поддерживается за счет свежей смеси, поступающей вслед, и служит источником зажигания для соседних частей потока. Одновременное движение пламени к внешним границам потока и движение самого потока приводят к образованию конического стационарного фронта пламени с вершиной конуса, находящейся у препятствия. Эта картина иллюстрируется фиг. Газовый поток, состоящий из довольно разбавленной смеси светильного газа с воздухом, вытекает вверх из стеклянной трубки, на оси которой помещена проволока. Если убрать проволоку, пламя сдувается потоком, вследствие низкой скорости горения. Другая вихревая зона образуется всегда у границы потока с окружающей атмосферой, простирающейся вверх от края отверстия; в этой зоне происходит смешение газа с окружающей атмосферой. Этот граничный слой, который простирается вверх на значительную высоту, виден на теневой фотографии газового потока, показанной на фиг. Вдоль этой зоны пламя может распространяться вниз до края отверстия, при условии, если разбавление газа в граничном слое не сделало смесь негорючей. [14]
Если на пути газового потока поместить какое-либо препятствие, например проволоку, то за препятствием образуется вихревая зона. Если поток состоит из горючей газовой смеси, то пламя, которое в отсутствии препятствия уносилось бы потоком, часто оказывается способным удерживаться в зоне турбулентного следа за препятствием, где скорость гораздо меньше скорости основного потока. Пламя поддерживается за счет свежей смеси, поступающей вслед, и служит источником зажигания для соседних частей потока. Одновременное движение пламени к внешним границам потока и движение самого потока приводят к образованию конического стационарного фронта пламени с вершиной конуса, находящейся у препятствия. Эта картина иллюстрируется фиг. Газовый поток, состоящий из довольно разбавленной смеси светильного газа с воздухом, вытекает вверх из стеклянной трубки, на оси которой помещена проволока. Если убрать проволоку, пламя сдувается потоком, вследствие низкой скорости горения. Другая вихревая зона образуется всегда у границы потока с окружающей атмосферой, простирающейся вверх от края отверстия; в этой зоне происходит смешение газа с окружающей атмосферой. Этот граничный слой, который простирается вверх на значительную высоту, виден на теневой фотографии газового потока, показанной на фиг. Вдоль этой зоны пламя может распространяться вниз до края отверстия, при условии, если разбавление газа в граничном слое не сделало смесь негорючей. [15]
Страницы: 1 2