Cтраница 3
Проявление описанного эффекта приводит к тому, что пламя способно распространяться по аэровзвеси со средней концентрацией горючего ниже концентрационного предела распространения пламени плоского фронта пламени газовой смеси. Ориентировочные оценки показывают, что НКПР газовзвесей примерно в два раза ниже НК. [31]
В этом параграфе мы остановимся на граничных условиях на теплоподводе, относящихся к горению, когда последнее может рассматриваться как сосредоточенное - в виде плоского фронта пламени. Теплоподвод, связанный не с горением, а, например, с нагреванием, можно рассматривать как частный случай граничных условий на теплоподводе в виде фронта пламени. [32]
Возникает вопрос, каким образом оказалось, что в начальный момент времени, когда, по нашему предположению, только возникло возмущение ( до этого течение было невозмущенным, с плоским фронтом пламени), завихренность от фронта пламени уже успела распространиться на весь объем продуктов сгорания. Вопрос этот связан со способом решения линеаризованных уравнений - в виде экспоненциальной зависимости искомых величин от времени и поперечной координаты. Как будет показано дальше, использованный метод решения позволяет найти частный вид неустойчивых возмущений, которые следует рассматривать как асимптотические. Это те возмущения, которые возникают за бесконечное время ( от t - оо) из невозмущенного при х - оо движения после взаимодействия с фронтом пламени. В рамках этой асимптотики вихревое поле во всем объеме продуктов горения успевает установиться везде, но с амплитудой тем меньшей, чем раньше данный элемент сгоревшей смеси прошел через пламя, подвергся химической реакции и приобрел свой вихрь, который он ( элемент) потом сохраняет. [33]
Таким образом, на примере простой модели конвективного горения показано, что искривление фронта пламени в аэрозоле вплоть до фрагментации на отдельные зоны горения ( языки пламени) приводит к обогащению ведущей части пламени горючим примерно в 2 раза по сравнению с плоским фронтом пламени. [34]
Если, например, в случае плоского наклонного фронта пламени изменить систему координат - перейти в прямоугольную систему, движущуюся вдоль фронта пламени с постоянной скоростью, равной тангенциальной составляющей скорости потока, то в ней поле течения будет таким, какое мы уже рассматривали выше: плоский фронт пламени, на который под прямым углом натекает поток горючего газа. Поэтому, пользуясь инвариантностью явления, можно сразу утверждать, что тангенциальные составляющие скорости по обе стороны наклонного плоского фронта пламени одинаковы, а течение за наклонным плоским пламенем является безвихревым - потенциальным, несмотря на преломление линий тока на пламени в исходной системе координат. [35]
Предположив, что диаметр горелки достаточно велик, можно в качестве первого приближения пренебречь краевыми эффектами. Достаточно далеко от границ наблюдается плоский фронт пламени. [36]
В качестве примера парадоксальной ситуации, с которой часто приходится сталкиваться в теории горения, упомянем вопрос о гидродинамической неустойчивости плоского фронта пламени. Прямой анализ показывает, что тонкий плоский фронт пламени абсолютно неустойчив к пространственным искривлениям, какой бы длины волны они небыли. Этот выдающийся результат принадлежит замечательному советскому физику-теоретику Л. Д. Ландау ( независимо и практически одновременно он получен также французским ученым Дарье ( G. И тем интереснее было выяснение физико-химических и гидродинамических факторов, обеспечивающих устойчивость пламени, которая наблюдается в экспериментах. [37]
Эта неустойчивость, и особенно ее зависимость от ускорений, может привести к вибрационному горению. В 1944 г. Ландау показал1), что плоский фронт пламени всегда неустойчив и что эта неустойчивость зависит от действующих на фронт пламени ускорений. Поскольку при вибрационном горении фронт пламени может колебаться вместе с колеблющейся средой, он будет испытывать ускорения, которые периодически меняют знак. Периодически меняющееся ускорение приводит к периодически возникающей неустойчивости фронта пламени, способной возбудить акустические колебания. Вопрос этот достаточно сложен, и его целесообразно выделить в отдельный параграф. [38]
Таким образом, гидродинамический анализ горения аэродисперсных систем показал, что относительное движение фаз возникает не только в процессе гравитационного оседания частиц пыли, но и в результате вынужденного рассеяния фаз аэрозоля при искривлении зоны горения. При этом в последнем случае гидродинамика двухфазной системы стимулирует разрушение плоского фронта пламени и, следовательно, переход горения аэрозоля от плосколаминарной формы к турбулентной. Важнейшим выводом из сказанного выше является заключение о неправомерности переноса представлений о постоянстве нормальной скорости горения на аэродисперсные системы, поскольку искривление фронта пламени меняет соотношение горючего и окислителя, поступающих в зону горения ( фазодинамический эффект), а следовательно, меняется температура горения и скорость движения зоны химической реакции по свежей смеси. [39]
Учитывая принципы, изложенные в гл. Независимо от этих элементарных соображений, до сравнительно недавнего времени считалось очевидным, что наложение возмущений на плоский фронт пламени вызовет такие изменения нормальной скорости горения, при которых эти возмущения будут затухать. [40]
Если, например, в случае плоского наклонного фронта пламени изменить систему координат - перейти в прямоугольную систему, движущуюся вдоль фронта пламени с постоянной скоростью, равной тангенциальной составляющей скорости потока, то в ней поле течения будет таким, какое мы уже рассматривали выше: плоский фронт пламени, на который под прямым углом натекает поток горючего газа. Поэтому, пользуясь инвариантностью явления, можно сразу утверждать, что тангенциальные составляющие скорости по обе стороны наклонного плоского фронта пламени одинаковы, а течение за наклонным плоским пламенем является безвихревым - потенциальным, несмотря на преломление линий тока на пламени в исходной системе координат. [41]
Качественное исследование движения фаз перед искривленным фронтом пламени ( см. рис. 5.3) показывает, что вблизи ведущих точек пламени относительная концентрация горючего во фронте пламени оказывается выше, чем в свежей смеси. Следовательно, язык пламени, именуемый в дальнейшем лидером, способен распространяться по аэрозолю с концентрацией горючего ниже НКПР плоского фронта пламени. Устойчивость данной геометрической формы тела лидера не рассматривается. [42]
Рассмотрим вопрос о том, как можно рациональным образом заменить действительный процесс горения внутри а другим, простым и наглядным процессом, причем так, чтобы не потерять при переходе к этому новому процессу никаких существенных для возбуждения акустических колебаний свойств реального процесса горения. Приведенные несколько выше примеры позволяют предложить в качестве эффективного идеализированного процесса возмущенного горения процесс, складывающийся из двух основных: возмущения теплоподвода и возмущения положения плоского фронта пламени. Выше уже говорилось, что эти процессы нельзя свести друг к другу и поэтому из трех независимых величин, которые нужны для связи ( без нарушения трех уравнений сохранения) произвольно заданных слева и справа от сг возмущений р, v и s, две уже имеются. [43]
Важным свойством фронта пламени - поверхности газодинамического разрыва - является его способность перемещаться по частицам газа с определенной скоростью - скоростью распространения пламени. При не слишком резко изогнутых фронтах пламени скорость распространения пламени по частицам горючего газа равна нормальной скорости пламени, такой же, как и у плоского фронта пламени. Таким образом, при описании движения поверхности пламени по газу прежде всего надо иметь в виду, что в каждой точке поверхности в любой момент времени известна скорость ее перемещения по газу в направлении по нормали к этой поверхности. [44]
Однако следует движения продуктов, как и соответствующие изменения давления и объема, находится в качественном согласии с нижней частью адиабаты Юго-нио ( см. гл. Количественного совпадения ожидать нельзя, так как при выводе уравнения адиабаты предполагается, что поток газа параллелен оси трубки и постоянен по всему сечению ( что соответствует плоскому фронту пламени, перпендикулярному оси) и не учитываются теплопроводность и трение газа о стенки. Весьма интересны явления, наблюдаемые при зажигании смеси в закрытых трубках. В данном случае пламя двигалось сверху вниз, однако своеобразное изменение формы пламени наблюдается также при распространении снизу вверх и при горении в горизонтальных труС - ках. Из рассмотрения последовательных моментальных фотографий следует, что сначала пламя распространяется как обычно. Полусферический фронт пламени постепенно принимает ( из-за воздействия стенок) все более и более плоскую форму. Однако в некоторый момент фронт пламени изгибается в центре в направлении, обратном его движению, и пламя приобретает форму конуса, который по мере продвижения вперед становится все острее и острее. Это явление может быть объяснено следующим образом. На ранних стадиях горения пламя сжимает несгоревшую смесь как поршень. Трение и охлаждение у стенок приводят к тому, что газ около них движется медленнее, чем в середине трубки. Это приводит к растяжению фронта пламени. [45]