Экспериментальное исследование влияния условий формирования пламени на автоколебательное горение тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи <0/

Мурунов Евгений Юрьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАМЕНИ НА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ГОРЕНИЕ

Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

003473257

Томск-2009

003473257

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики факультета автоматики и телекоммуникаций ГОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры».

Научный руководитель:

Самсонов Виктор Петрович

Архипов Владимир Афанасьевич

Ларионов Виктор Михайлович

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Хри-стиановича СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 19 июня 2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу: 634050 г. Томск, пр. Ленина, 36, ауд. 239 НИИПММ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан <с » мая 2009 г.

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, доцент

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возбуждение акустических колебаний в пламени является одним из факторов, сопровождающих развитие неустойчивости горения, как для газовых, так и для жидких систем. Акустические колебания в пламени являются типичным примером тепловых автоколебаний, возникающих в системе с тепловым источником и резонатором, в котором возможно осуществление обратной связи между колебаниями давления, колебаниями скорости теплоотдачи и периодическим изменением скорости химической реакции.

Известно большое количество работ по исследованию «поющего» пламени, формирующегося при горении газов. Традиционной проблемой эксперимента является то, что подводящий топливный тракт является причиной возбуждения дополнительных гармоник в результирующем колебании, что маскирует определяющие физико-химические явления. Влияние колебаний давления на срезе горелки может быть сведено к минимуму или полностью устранено при формировании обращенного на стабилизаторе «поющего» пламени.

При возбуждении акустических колебаний, возникающих при горении жидкого топлива, проблема изменения скорости подвода топлива в камеру сгорания не возникает вообще. Это позволяет получить количественные данные о влиянии автоколебаний горения на изменение полноты сгорания и тепловой мощности горелочного устройства. Однако сведения о закономерностях формирования «поющего» обращенного пламени и «поющего» пламени, образующегося при горении жидкого топлива, в научной литературе в настоящее время отсутствуют.

Изучение обращенного поющего пламени представляет самостоятельный фундаментальный интерес в связи с характерным профилем скоростей, формирующимся вблизи тела обтекания - стабилизатора. Наличие пограничного слоя на твердой поверхности стабилизатора приводит к перегибу профиля скоростей, что является причиной отрыва пограничного слоя и создания вихревых возмущений.

Вопрос о физическом механизме, реализующем обратную связь между колебаниями давления и тепловой мощности пламени, остается до сих пор открытым. Метод Фурье-анализа колебаний поющего пламени остается мало востребованным. Как следствие

этого, роль процессов переноса, вихреобразования и резонансных свойств камеры сгорания до конца не изучена.

Прикладное значение обращенного поющего пламени обусловлено увеличением интенсивности теплоотдачи в стенки камеры сгорания.

Цель диссертационной работы состоит в изучении законно-мерностей возбуждения обращенного поющего пламени и поющего пламени, образуемого при горении жидкого топлива; создании комплексной методики экспериментального исследования структуры поющего пламени; экспериментальной проверке выводов ряда теоретических положений, объясняющих физические механизмы, управляющие явлениями вихреобразования и возбуждения акустических колебаний в трубе-резонаторе; нахождении новых, научно обоснованных технологических решений, использующих влияние акустических колебаний и явление гистерезиса на горение и теплообмен для разработки экономичных камер сгорания.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Экспериментально найдены условия возбуждения акустических колебаний в виде интервала значений тепловой мощности пламени, образуемого при диффузионном горении бензина. Показано, что возбуждение акустических колебаний сопровождается уменьшением массовой скорости горения, увеличением полноты сгорания в 2-3 раза. Обнаружено, что интервал значений тепловой мощности пламени, при которой возбуждаются акустические колебания, расширяется в 2 раза при замене химически нейтрального источника тепла (труба Рийке).

2. Обнаружены особенности возбуждения поющего пламени, как при горении жидкого топлива, так и при горении заранее перемешанных горючих газовых систем, проявляющиеся в существовании гистерезисных явлений. Экспериментально найдены гистере-зисные зависимости амплитуды колебаний от числа Рейнольдса, определяющие условия возбуждения обращенного поющего пламени. Обращение поющего пламени является причиной увеличения коэрцитивной силы гистерезиса в 1,2 -5-1,4 раза.

3. Обнаружено изменение скорости теплоотдачи из пламени на поверхность трубы-резонатора при переходе от стационарного режима горения к автоколебательному. Установлено, что тепловой поток из зоны пламени к стенкам трубы-резонатора увеличивается на 20-30%.

4. Обнаружено явление смены основной моды колебаний на вторую гармонику в обращенном поющем пламени при увеличении расхода горючей газовой смеси.

5. Предложены физические механизмы возбуждения поющего пламени для изученных гидродинамических ситуаций. Показано, что возбуждение автоколебаний происходит под влиянием характерного профиля скорости газа с перегибом, формирующимся вблизи фронта пламени, а также связано с периодическим отрывом пограничного слоя на стабилизаторе. Это является причиной расширения интервала возбуждения автоколебаний пламени при изменении тепловой мощности.

6. Предложено новое технологическое решение, реализующее способ утилизации отходов горюче-смазочных материалов в резона-торной печи при формировании поющего пламени.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные результаты, подтверждающие: а) влияние профиля скорости газа на границы возбуждения поющего пламени; б) влияние вихревого и колебательного движения газа в камере сгорания на скорость горения и полноту сгорания газового и жидкого топлива; в) экспериментальные результаты, согласно которым автоколебания пламени сопровождаются изменением интенсивности теплопередачи на поверхность теплообмена; г) экспериментальные результаты, согласно которым обращение пламени на стабилизаторе позволяет изменять ведущую моду колебаний при изменении скорости горючей газовой смеси.

2. Комплексная методика экспериментального исследования нестационарного пламени, включающая в себя автоматизированный сбор данных, для одновременного снятия показаний приборов и датчиков и их математической обработки с помощью пакетов стандартных программ.

3. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемого физического механизма поддержания автоколебаний пламени, согласно которому: 1) при горении жидкого летучего топлива колебания давления приводят к периодическому изменению диаметра пламени, что приводит к изменению температуры и скорости подъема продуктов горения и, соответственно, интенсивности процессов переноса; 2) колебания давления в обращенном пламени являются причиной изменения угла раскрытия обращенного пламени и изменения скорости гидродинамического растяжения фронта пла-

мени, приводящего к изменению местоположения и величины максимального значения температуры. Результирующее переменное тепловыделение приводит к согласованным по фазе колебаниям давления; 3) колебания расхода газа в бунзеновском пламени определяют согласованные по фазе колебания давления и скорости тепловыделения; 4) смена ведущей моды колебаний обусловлена изменением частоты срыва вихрей в пограничном слое стабилизатора;

4. Техническое решение, позволяющее использовать эффект поющего пламени для повышения КПД горелочного устройства.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации экспериментальных результатов обусловлена хорошей повторяемостью всех явлений и эффектов в опытах, многократно производившихся при различных характерных размерах горелочных устройств, длин и диаметров трубы-резонатора. Сравнение между собой всех полученных разными методами экспериментальных результатов дает хорошее качественное соответствие. Полученные результаты согласуются с данными других авторов, опубликованными в научной литературе.

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обнаруженные закономерности возбуждения автоколебаний в обращенном пламени дополняют представления о возможных различных физических механизмах обратной связи между колебаниями давления и скорости горения при малых числах Рейнольдса, влиянии акустических колебаний в камере сгорания на неустойчивость горения, скорость и полноту сгорания топлива и величину теплового потока из зоны горения. Обнаруженные закономерности возбуждения поющего пламени могут быть использованы для оценки режимов устойчивого горения в камерах сгорания топок и двигателей, а также для повышения экономичности камер сгорания.

2. Диссертационная работа выполнялась на кафедре экспериментальной физики Сургутского государственного университета (2005-2008 гг.). Предложенные физические механизмы образования тепловых автоколебаний применялись в экспериментальных исследованиях неустойчивого горения в камерах сгорания, выполнявшихся по госбюджетной тематике кафедры экспериментальной физики СурГУ, зарегистрированной во ВНТИЦ за№ 0120.0 802766. Выполнение работы поддержано грантами и премиями Губернатора Ханты-Мансийского автономного округа - Югры в 2006 и 2007 годах.

Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-9] и докладывались на 13-ой Международной конференции по звуку и вибрациям (Вена, Австрия, 2006 г.), 13-ой Международной конференции по аэрофизическим методам исследования (Новосибирск, 2007 г.), Международной конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии (Томск, 2007 г.), 9-ом Международном Симпозиуме по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу (Дижон, Франция, 2007 г.), 21-ом Международном Коллоквиуме по динамике взрыва и реагирующих систем (Пуатье-Футуроскоп, Франция, 2007 г.), 8 и 9-ой научных конференциях «Наука и инновации 21 века» (Сургут, 2007, 2008 гг.).

Количество основных работ по диссертации - 9.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 97 наименований. Общий объём составляет 136 страниц, включая 44 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации проводится анализ научных работ, посвященных изучению физических явлений, сопровождающих возбуждение автоколебаний горения при наличии резонатора-камеры сгорания. Особое внимание уделялось ведущей роли спонтанных вихревых структур, образующихся в характерных гидродинамических условиях при генерации пламенем акустических колебаний (В.В. Афанасьев, Н.И. Кидин), а также физическим механизмам осуществления обратной связи между колебаниями давления и скорости горения (В.М. Ларионов). В научной литературе имеются работы, посвященные возбуждению автоколебаний лишь в газовоздушных пламенах, стабилизированных на срезе горелки. Способы получения поющего пламени, в механизме обратной связи которого, отсутствует звено с колебаниями расхода газа, мало изучены.

В настоящее время отсутствуют сведения о явлении смены одной ведущей моды автоколебаний горения на другую. Практически не известны результаты, свидетельствующие о влиянии акустических колебаний на полноту и скорость сгорания топлива. Остается актуальной проблема интенсификации процессов переноса и теплообмена в резонансных камерах сгорания.

Исходя из недостаточной изученности и важности проблемы, сформулирована цель работы и составлена программа исследований.

Во второй главе описаны объекты исследования, экспериментальные установки, системы и методы контроля, визуализации и измерения параметров поющего пламени.

В качестве объектов исследования выбраны пламя бунзенов-ской горелки, обращенное кинетическое пламя пропана и диффузионное пламя бензиновой горелки.

Выбор объектов обусловлен несколькими причинами. Первая из них связана с тем, что использование летучего жидкого топлива позволяет исключить обратную связь между пульсациями давления и расходом горючего. Кроме того, применение фитиля в качестве горелки позволяет исключить влияние топливоподводящего тракта на резонансную частоту камеры сгорания и появление дополнительных гармоник в спектре колебаний. Вторая причина заключается в том, что профиль скорости продуктов горения над твердой поверхностью фитиля, определяющий условия формирования вихревых ячеек и скорость вращения газа в них, значительно отличается от пуа-зейлевского над срезом газовой горелки. Это создает другие граничные условия для формирования распределения скоростей газа в потоке с изгибом профиля, необходимым для вихреобразования. В качестве основного объекта выбрано также обращенное пламя, в котором стабилизатор располагается либо поперек, либо вдоль оси струи.

Основным элементом экспериментальной установки являлась вертикально расположенная, открытая с обоих концов стеклянная труба, одновременно являющаяся акустическим резонатором. Прозрачные стенки трубы позволяли визуализировать пламя. В нижнюю четверть трубы-резонатора помещали каждый из исследуемых объектов. В ходе экспериментов изменяли диаметры горелок от 4 до 8 мм, внутренний диаметр трубы-резонатора изменяли от 37 до 100 мм, длину трубы-резонатора изменяли от 0,46 м до 2,3 м. Пропановоз-душные смеси готовили в газометре вытеснения. Обращение газовоздушного пламени производили на кольцевом стабилизаторе. Объемный расход газа измеряли расходомерами-счетчиками РГС-1 и РГС-2 с точностью до 10"1 м /с. Среднюю скорость газа на срезе горелки рассчитывали по объемному расходу газа. Температуру стабилизатора, фронта пламени вблизи стабилизатора и стенок трубы-резонатора измеряли термопарой К1-МУ, пирометром Яау1ек

МХ6 и тепловизором Thermovision®550. Свечение пламени фотографировали цифровым фотоаппаратом Canon EOS 20D.

Возбуждение пламени при горении бензина осуществляли на горелке, представляющей собой алюминиевый тонкостенный цилиндрический стакан. Внутрь стакана заливали бензин и вставляли фитиль, изготовленный из пористого абразивного камня. Изменение тепловой мощности горелки осуществляли путем изменения площади поверхности абразива, выступающей из стакана части фитиля. Массовую скорость горения и тепловую мощность горелки определяли по изменению массы горелки за фиксированные промежутки времени. Измерения массы проводили на электронных весах с относительной погрешностью менее 0,02. Частоту и амплитуду акустических колебаний измеряли микрофоном. Для определения ведущих мод акустических колебаний использовали метод Фурье-анализа Сигнал с микрофона, расположенного у основания трубы-резонатора, подавался на микшерный пульт для усиления, после чего поступал на модуль АЦП, используемый для обработки цифрового сигнала и выводился на экран монитора.

Расчет пространственного распределения температуры в пламени производили методом цифровой фотометрии. Эксперименты с поющим пламенем сопоставляли с экспериментами на трубе Рийке.

Измеряемыми в эксперименте физическими параметрами являлись: максимальные температура, высота пламени в различные фазы колебания, границы области возбуждения акустических колебаний в координатах амплитуды акустических колебаний и подводимой в резонатор тепловой мощности пламени и массовая скорость горения. Изменение указанных параметров соотносили с результатами измерения ведущих мод колебаний. Для их измерения и регистрации использовали совмещение функциональных возможностей персонального компьютера с его программным обеспечением и датчиков контроля.

В третьей главе представлены экспериментальные результаты исследования закономерностей возбуждения поющего пламени при горении жидких и газовых систем.

В предположении, что источником возмущений скорости горения, порождающих автоколебания с резонансной частотой камеры сгорания, являются низкочастотные колебания диффузионного пламени в открытой атмосфере, были проведены опыты по исследованию закономерностей развития низкочастотных колебаний пламени

бензиновой горелки в открытой атмосфере. Было обнаружено, что при сближении горелок на расстояние, сравнимое с максимальным диаметром пламени, происходит смыкание пограничных слоев на границе струй восходящих продуктов горения и образование в конвективной колонке профиля скорости с перегибом. Это приводит к возникновению колебаний каждого пламени как целого. Полученные осциллограммы показывают, что частоты колебаний совпадают, а фазы колебаний смещены только на начальном этапе развития колебательного процесса.

На рис. 1 приведены результаты исследования изменения массовой скорости горения в случаях, когда горелку помещали в открытой атмосфере или в трубе-резонаторе до и после возбуждения акустических колебаний. Графики показывают, что массовая скорость горения линейно зависит от высоты фитиля. Развитие акустических колебаний сопровождается уменьшением высоты пламени и скорости горения, полнота сгорания топлива при этом увеличивается.

Обнаружено, что при тепловой мощности, соответствующей границе возбуждения акустических колебаний, высота пламени и массовая скорость горения уменьшаются скачкообразно. Одновременно увеличивается температура пламени и полнота сгорания бензина. Особенно сильно это проявляется при увеличении тепловой мощности пламени. При мощности, равной 350 Вт, высота поющего пламени уменьшается в 2 раза.

Н. мм

Рис. 1. Зависимость массовой скорости горения от высоты фитиля: о - открытое пламя; Д - невозбужденное пламя в трубе-резонаторе; ▲ - поющее пламя; V - массовая скорость горения; Н - высота фитиля бензиновой горелки

Найденные зависимости амплитуды колебаний пламени от тепловой мощности имеют гистерезисный характер. Явление гистерезиса обусловлено формированием вихревых структур вблизи пламени и вниз по течению.

На рис. 2 а, б, в приведены изображения светящихся стационарного и «поющего» пламени бензиновой горелки. Видно, что возбуждение колебаний столба газа в трубе-резонаторе приводит к волнообразованию на поверхности пламени.

Фотографии свечения пламени позволяют вычислить диаметр вихревой ячейки как величину, равную расстоянию между двумя соседними гребнями волн на поверхности пламени: х0 ~ 2,5-10"" м. Смещение вихревых ячеек происходит со скоростью, существенно меньшей скорости поступательного движения продуктов горения.

Для анализа механизмов обратной связи при возбуждении поющего пламени при горении конденсированного топлива проводили Фурье-анализ колебаний. В качестве эталонного спектра, определяющего наиболее значимые моды колебаний в трубе резонаторе, использовали спектрограммы колебаний химически нейтрального столба воздуха в трубе Рийке.

а б в г

Рис. 2 а, б, в, г. Изображения свечения пламен бензиновой горелки: а - пламя до возбуждения акустических колебаний; б, в - «поющее» пламя; г - фотометрическое изображение

Пример спектрограммы, полученной для диффузионного пламени бензина, представлен на рис. 3. Сравнение спектрограмм показывает, что возбуждение колебаний в диффузионном пламени происходит в строгом соответствии с первыми двумя ведущими гармониками. Высшие гармоники в диффузионном пламени подавляются. Объяснением этого факта является то, что колебания скорости диффузионного переноса происходят в противофазе с колебаниями дав-

ления в трубе-резонаторе. Это явление приводит к лучшему перемешиванию реагирующих компонент и увеличению полноты сгорания.

Изменение температурного поля диффузионного «поющего» пламени бензиновой горелки в течение одного периода колебаний исследовали методом фотометрии. Обнаружено, что наибольший градиент температуры создается вблизи среза горелки. При возбуждении акустических колебаний увеличивается также максимальное значение температуры в пламени.

Массовая скорость горения при этом уменьшается, а полнота сгорания увеличивается примерно на 20%. Это можно объяснить особенностями тепло-массопереноса вблизи поверхности испарения бензина, обусловленными движением газа в вихревой структуре. Кроме того, вихревое течение увеличивает время пребывания частицы топлива в зоне горения.

Увеличение тепловой мощности горелки приводило к увеличению амплитуды колебаний столба газа внутри трубы резонатора, что приводило к срыву и гашению пламени.

110

100

400

110 100 90 80 70 60 50

100

200 V, Гц

б

300

400

Рис. 3. Результаты Фурье-анализа спектра колебаний: а - поющего пламени на бензиновой горелке; б - труба Рийке

Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что возбуждение акустических колебаний происходит в случае, если характерные времена диффузии, индукции вихревой структуры и периода колебаний столба газа примерно равны. Развитие акустических колебаний сопровождается уменьшением высоты пламени и скорости горения, при этом максимальная температура пламени и полнота

сгорания топлива увеличиваются. Основную роль в изменении температурного поля пламени играет развитие вихревых структур вблизи пламени.

Формирование обращенного пламени при горении заранее перемешанной горючей газовой смеси изучали в широком интервале скоростей газа, диаметров горелки и концентрации пропана. Область существования устойчивого обращенного пламени в попутном потоке получена в координатах безразмерной высоты пламени и диффузионного числа Пекле.

Гашение пламени происходит при горении газовых смесей, как с избытком, так и с недостатком кислорода. Решающим фактором погасания пламени является отношение амплитуды к периоду колебаний пламени. В случае, если оно превышает нормальную скорость распространения пламени происходит его погасание. Фурье-анализ позволил выделить ведущие моды колебаний. Ярко выражены две ведущие моды колебаний с частотами 100 и 1000 Гц и две второстепенные моды с частотами 400 и 500 Гц. Низкочастотная ведущая мода может быть связана с гидродинамическим растяжением фронта пламени.

Действительно, определяя характерное время растяжения и разрыва фронта пламени ts как отношение длины пламени Lf к касательной скорости газа vx, получим:

vr v- cosa

Частота обратно пропорциональна этому времени и равна / = 100 Гц. Высокочастотная ведущая мода обусловлена собственной частотой трубы, внутри которой происходило горение. Собственная частота равна отношению скорости звука с к удвоенной длине трубы L¡. Принимая во внимание, что при средней температуре продуктов горения в трубе, равной 480 К, скорость звука примерно равна 440 м/с, получим:

с _ 440 м/с 2L, ~ 44-10'2 м

//= — =„ 5 7000Л<-

Две другие моды колебаний с частотами /с а/и определяются характерным временем химической реакции 1С и характерным гидродинамическим временем 4. Частоту /с можно оценить из соотношения:

, к ^4-10-'м2/с 4ппг

fc= — =-*—= 400 Гц,

5) 1-10 м

где f - ширина теплового слоя фронта пламени. Оценивая характерное гидродинамическое время, как отношение ширины теплового слоя фронта пламени к нормальной скорости распространения пламени, получим:

д{ 1-10 м

Данные оценки характерных частот хорошо согласуются с полученными экспериментальными результатами.

Влияние обращения пламени на кольцевом стабилизаторе в трубе-резонаторе исследовали путем сравнительного анализа спектрограмм колебаний обращенного и бунзеновского пламени.

Характерно, что основные моды колебаний сохраняются (90 Гц и 175 Гц). Все основные процессы, связанные с теплоперено-сом в вихревых структурах, происходят с частотами основных гармоник трубы-резонатора. Это является причиной их слияния. Низкочастотная ведущая мода (90 Гц) является основной модой трубы-резонатора. Дополнительные моды колебаний с незначительной амплитудой, очевидно обусловлены вихреобразованием, связанным с временем формирования и отрыва пограничного слоя: tg ~ 0,35-r0/U ~ 10~3-5-10~3 с.

При использовании кольцевого стабилизатора, расположенного в плоскости поперечного сечения трубы-резонатора, происходят бифуркации фронта пламени при его перескоке с устья горелки на стабилизатор. Примеры перескока пламени показаны на рис. 4.

Рис. 4. Фотографии свечения пламени при переходе от стационарного режима горения к автоколебательному

Обнаружены два типа гистерезисных явлений, сопровождающих возбуждение автоколебаний. На рис. 5а показан гистерезис зависимости амплитуды колебаний от числа Рейнольдса при длине трубы Ь = 2,3 м. Гистерезис проявляется в задержке перескока пламени со стабилизатора на срез горелки при уменьшении расхода горючей газовой смеси. Верхняя часть полупетли гистерезиса соответствует прямому направлению обхода, нижняя - обратному. Необычность обнаруженного явления заключается в том, что при уменьшении скорости подвода горючей газовой смеси происходит не просто задержка в уменьшении амплитуды колебаний, а ее уменьшение по сравнению с первоначальным значением («перехлестнутая» петля гистерезиса). Скорость расхода горючей газовой смеси, при которой фронт пламени возвращается на срез горелки, уменьшается примерно на 30%. Особенностью гистерезисной зависимости является существование критического числа Яе, при котором происходит изменение знака коэрцитивной силы.

При возбуждении автоколебаний в трубе длиной Ь = 1,2 м, наблюдается гистерезис зависимости амплитуды колебаний от числа Рейнольдса, представленный на рис. 56.

Ре Ре

а б

Рис. 5. Гистерезис условий перескока обращенного пламени на кольцевом стабилизаторе: а - Ь = 2,3 м; б - Ь = 1,2 м

Нижняя часть петли гистерезиса соответствует прямому обходу, верхняя - обратному. Особенностью этой гистерезисной зависимости является увеличение амплитуды колебаний столба газа в трубе-резонаторе при уменьшении скорости подвода горючей газовой смеси, по сравнению с начальной амплитудой колебаний, возбуж-

даемых обращенным пламенем. Другой отличительной особенностью этой гистерезисной зависимости является смена ведущей моды колебаний с изменением скорости подвода горючего. Указанные явления перестройки ведущих мод автоколебаний и увеличение амплитуды колебаний при уменьшении скорости подвода горючей газовой смеси, проявляются при удалении стабилизатора от среза горелки на расстояние, большее, чем диаметр горелки.

В четвертой главе на основании полученных экспериментальных данных дается описание и обоснование роли вихревых структур в управляющих механизмах возбуждения автоколебаний и процессов тепло-массообмена.

Предлагаемый механизм влияния вихревых структур на возбуждение автоколебаний основан на нескольких предположениях. Первое из них - о влиянии специфических профилей скоростей горючей газовой смеси и продуктов горения в выбранных объектах на область возбуждения автоколебаний. Второе связано с влиянием самопроизвольной закрутки продуктов горения на интенсивность теплообмена. Скорость теплообмена является основным элементом в гидродинамическом механизме обратной связи между колебаниями давления и скорости горения. Третье предположение связано с влиянием гистерезисных явлений на обмен энергией между пламенем и резонатором.

Экспериментальные результаты, описанные в главе 3, показывают, что для каждого из выбранных объектов существует свое минимальное критическое значение подводимой из пламени тепловой мощности в колебательную систему, при которой возбуждаются автоколебания. Вращательное движение газа в тороидальной вихревой ячейке является колебательным в продольном и радиальном направлениях. При удалении вихревой ячейки от пламени на расстояние нескольких диаметров трубы-резонатора вращательное движение затухает и переходит в поступательное. Размеры вихревых ячеек совпадают с расстоянием между гребнями на поверхности пламени (см. рис. 2).

Из сказанного следует, что можно определить характерные размеры области в трубе-резонаторе, где происходит усиление интенсивности процессов переноса тепла и массы за счет вращательного движения газа. Область трубы-резонатора, в которой столб нагретых продуктов горения совершает поступательное колебательное движение, занимает верхние три четверти длины. Поступательное

движение определяет интенсивность теплообмена продуктов горения со стенками камеры сгорания. Возмущение скорости потока в виде симметричных вихрей представленных на рис. 6, является одной из причин мягкого возбуждения акустических колебаний в трубе резонаторе.

Рис. 6. Поле скоростей у среза газовой горелки в трубе-резонаторе: а - до воспламенения горючей газовой смеси; б - после воспламенения горючей газовой смеси, при развитых автоколебаниях

Размеры пламени сравнимы или превышают размеры вихревых ячеек. Это объясняет ведущую роль конвективного механизма переноса тепла и массы в контроле скорости горения и развитии автоколебаний. В диффузионном пламени масштаб вихревой ячейки, втрое меньший высоты пламени, является причиной увеличения поверхности пламени. Увеличение площади поверхности пламени приводит к увеличению абсолютных значений теплового потока и потока массы. На картах изотерм это проявляется в увеличении средней температуры пламени.

Размеры камеры сгорания и горелочных устройств определяют характерные масштабы гидродинамических времен: периода колебания столба газа в трубе-резонаторе и периода вращения газа в вихревой ячейке. Это проявляется в изменении числа и амплитуды гармоник колебаний, возбуждаемых при автоколебательном горении.

Полученные закономерности автоколебательного горения жидкого топлива позволяют сделать предположения относительно физического механизма, осуществляющего обратную связь между колебаниями давления в трубе-резонаторе и скоростью горения. Очевидно,

что изменение высоты поющего пламени и его температуры связано с формированием вихревых структур в трубе-резонаторе. Появление локальных максимумов температуры в поющем пламени обусловлено дополнительным притоком кислорода воздуха за счет вихревого движения вблизи границы пламени, полнотой сгорания топлива и увеличением скорости химической реакции. Периодическое изменение локальной температуры приводит к изменению удельного объема, что и приводит к развитию колебаний давления.

Формирование вихревой структуры в поющем пламени связано с периодическим ускорением, которые претерпевает поступательное движение столба газа в трубе-резонаторе и ускорением потока в пламени при тепловом расширении и под влиянием тепловой гравитационной конвекции. Периодическое изменение скорости горения и тепловыделения усиливает периодические ускорения потока, зависящие не только от граничных условий, создаваемых стенками камеры сгорания. В большей мере они определяются механизмами обратной связи между скоростью тепловыделения, колебаниями давления в камере сгорания.

В данной работе определение областей возбуждения поющего пламени для различных объектов исследования и проведение Фурье-анализа колебаний для каждого из них доказывают ведущую роль процессов переноса массы и тепла в вихревой структуре. Это утверждение доказывается увеличением интенсивности теплообмена в камере сгорания в целом.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

1. Разработана комплексная методика экспериментального исследования. Создана экспериментальная установка для исследования влияния самопроизвольного образования вихревых структур, формирующихся в пламени при различных условиях на автоколебательное горение.

2. В рамках применяемых методов экспериментальных исследований установлено, что основными физическими явлениями, приводящими к самопроизвольному образованию вихревых структур в пламени и автоколебательному режиму горения, являются: естественная тепловая гравитационная конвекция, гидродинамическое растяжение пламени и вихреобразование в течении со сложным профилем скорости, обусловленным влиянием пограничного слоя на стабилизаторе.

3. Обнаружена гистерезисная зависимость амплитуды акустических колебаний при изменении скорости подвода горючей газовой смеси, что объясняется консервативностью вихревых структур в осциллирующем столбе газа к изменениям внешних условий. При обращении газовоздушного пламени на поперечно расположенном относительно скорости потока стабилизаторе гистерезис проявляется в уменьшении скорости горючей смеси, при которой происходит бифуркация фронта пламени.

4. Возникновение автоколебаний при горении жидкого топлива сопровождается уменьшением массовой скорости горения и увеличением полноты сгорания топлива.

5. Показано, что вихревые структуры, возникающие при автоколебаниях горения, являются причиной увеличения интенсивности теплообмена между фронтом пламени, продуктами горения и стенками камеры сгорания в 1,1 1,2 раза. Предложен физический механизм увеличения коэффициента теплоотдачи, связанный с перестройкой поля скоростей в осциллирующем потоке (аннулярным эффектом Ричардсона).

6. Обнаружено явление смены ведущей моды колебаний при горении обращенного пламени на стабилизаторе.

7. Предложено техническое решение, использующее тепловые автоколебания для разработки экономичной технологии сжигания топлива в камерах сгорания с использованием эффекта «поющего» пламени. Разработана модель резонаторной печи для сжигания отходов горючих и смазочных материалов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Мурунов Е.Ю. Резонаторная печь / Е.Ю. Мурунов, В.П. Самсонов // Патент на полезную модель 54417 МПК F24C 9/00 Сург. гос. ун-т. - 2006100889/22; Заявл. 10.01.2006; Опубл. 27.06.2006; Бюл. № 18.

2. Murunov E.Yu. Conditions of excitation of sound for condensed and gas fuels / E.Yu. Murunov, V.P. Samsonov // 13rd Int. Conference on Sound and Vibration: - Vienna, Austria, 2006. - P.P. 42^46.

3. Murunov E.Yu. Method of digital Photometry for Vizualiza-tion and Calculation of physical Parameters Distributions in transparent radiating Flows / E.Yu. Murunov, V.P. Samsonov, M.M. Alexeev // 13rd Int. Conference on Meth. Aerophys. Research: - "Novosibirsk, 2007. -P.P. 5-12.

4. Murunov E.Yu. Experimental Investigation of Influence of "Stretch-Effect" on Flame Front Structure / E.Yu. Murunov, V.P. Samsonov, M.M. Alexeev // IX Int. Sympos. on Self-propagating High-temperature Synthesis: - Dijon, France, 2007. - P. 5.

5. Murunov E.Yu. Oscillating Conditions and Quenching of inverse Gas Flame in passing Flow / E.Yu. Murunov, V.P. Samsonov // 21th Int. Colloq. on the Dynamics of Explosion and Reactive Systems: -Poitiers-Futuroscope, France, 2007. - P.P. 105-109.

6. Мурунов Е.Ю. Роль вихревых структур в механизме возбуждения автоколебательного горения конденсированных систем / Е.Ю. Мурунов, В.П. Самсонов, М.В. Алексеев // Журнал технической физики. - 2008. - Т. 78, вып. 8. - С. 34-41.

7. Мурунов Е.Ю. Низкочастотные колебания открытого диффузионного пламени // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии: Материалы международной конференции. - Томск, 2007. - С. 135.

8. Мурунов Е.Ю. Влияние гидродинамики пламени на вибрационное горение конденсированных систем / Е.Ю. Мурунов,

B.П. Самсонов // Материалы VIII окружной конференции молодых ученых Наука и Инновации XI века. - Сургут, 2008. - Т. 1. -

C. 15-16.

9. Мурунов Е.Ю. Экспериментальное исследование поющего обращенного пламени // Материалы IX окружной конференции молодых ученых Наука и Инновации XI века. - Сургут, 2009. -Т. 1.-С. 12.

Мурунов Евгений Юрьевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАМЕНИ НА АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ГОРЕНИЕ

Подписано в печать 12.05.09. Формат 60x84/16.

Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,05. Печать трафаретная. Тираж 100. Заказ № П-46.

Отпечатано полиграфическим отделом Издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Лермонтова, 5. Тел. 32-33-06.

ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры» 628400, Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, пр. Ленина, 1. Тел. (3462) 76-29-00, факс (3462) 76-29-29.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГИДРОДИНАМИКА НЕСТАЦИОНАРНОГО ГОРЕНИЯ.

1.1 Процессы переноса в осциллирующей течении.

1.2 Структура пламени при вибрационном горении газовых и жидких топлив.

1.3 Программа исследований.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1 Экспериментальная установка.

2.2 Объекты и методика исследования

2.2.1 Метод цифровой фотометрии для исследования нестационарного температурного поля пламени при возбуждении акустических колебаний.

2.2.2 Реализация метода Фурье-анализа для определения ведущих мод возбуждения акустических колебаний.

2.2.3 Диффузионное обращенное пламя при горении газа

2.2.4 Диффузионное поющее пламя при горении жидкого топлива.

2.2.5 Обращенное поющее пламя при горении заранее перемешанной горючей газовой смеси.

3. ГИДРОДИНАМИКА ПОЮЩЕГО ПЛАМЕНИ.

3.1 Закономерности возбуждения поющего пламени при горении жидкого топлива.

3.1.1 Возбуждение низкочастотных колебаний открытого пламени.

3.1.2 Закономерности возбуждения поющего пламени, образованного при горении жидкого топлива.

3.1.3 Структура поющего пламени при горении жидкого топлива.

3.2 Возбуждение обращенного поющего пламени при горении газа.

3.2.1 Изменение структуры поющего пламени в зависимости от условий его формирования.

3.2.2 Влияние размеров и расположения стабилизатора на область возбуждения обращенного поющего пламени.

4. ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР НА ТЕПЛОВЫЕ АВТОКОЛЕБАНИЯ ПЛАМЕНИ

4.1 Влияние скорости газа и геометрии пламени.

4.2 Механизмы обратной связи в обращенном пламени и его влияния на границы возбуждения тепловых автоколебаний

4.3 Влияние эффекта гидродинамического растяжения фронта пламени.

4.4 Механизмы влияния самопроизвольного вихреобразования на гистерезис границ возбуждения и интенсивность теплообмена.

4.5 Технические приложения влияния автоколебаний на процессы горения и теплообмен.

Актуальность проблемы. Возбуждение акустических колебаний в пламени является одним из факторов, сопровождающих развитие неустойчивости горения, как для газовых, так и для жидких систем. Акустические колебания в пламени являются типичным примером тепловых автоколебаний, возникающих в системе с тепловым источником и резонатором, в котором возможно осуществление обратной связи между колебаниями давления, колебаниями скорости теплоотдачи и периодическим изменением скорости химической реакции. Акустические колебания оказывают различное воздействие на камеру сгорания и на процесс горения в целом. Положительной стороной этого явления может являться увеличение полноты сгорания при уменьшении скорости горения. Следует отметить, что вопрос о влиянии акустических колебаний на экономичность камер сгорания остался вне рамок известных в научной литературе исследований.

Экспериментальные и теоретические работы по акустике пламени, как правило, связаны с исследованиями горения в модельной камере сгорания с формированием «поющего» пламени в вертикальной цилиндрической трубе-резонаторе. Известно большое количество работ по исследованию «поющего» пламени, формирующегося при горении газов. Однако исследований влияния акустических колебаний на скорость химической реакции в пламени до настоящего времени не проводилось. Это связано с тем, что воздействие колебаний перепада давления на срезе горелки для газовых систем сопряжено с изменением скорости подачи газа в камеру сгорания, что затрудняет выявление причин, вызывающих изменение скорости химической реакции и тепловой мощности пламени. Кроме того, подводящий топливный тракт является причиной возбуждения дополнительных гармоник в результирующем колебании, что маскирует определяющие физико-химические явления, сопровождающие развитие акустических колебаний. Влияние колебаний давления на срезе горелки может быть сведено к минимуму или полностью устранено при формировании обращенного на стабилизаторе «поющего» пламени. Однако ни экспериментальных, ни теоретических исследований обращенного «поющего» пламени до настоящего времени не проводилось.

Изучение обращенного поющего пламени представляет самостоятельный фундаментальный интерес в связи с характерным профилем скоростей, формирующимся вблизи тела обтекания - стабилизатора. Наличие пограничного слоя на твердой поверхности стабилизатора приводит к перегибу профиля скоростей, что является причиной отрыва пограничного слоя и создания вихревых возмущений. Поскольку вихревые структуры являются ключевым звеном обратной связи в гидродинамическом механизме автоколебаний, это может способствовать расширению области неустойчивости пламени в резонаторе и увеличению амплитуды колебаний. Особенностью вихревых структур при автоколебательных режимах горения является их когерентность. Когерентность вихревых структур проявляется в согласованном периодическом изменении размеров отдельных вихревых ячеек и скорости движения газа в них. Развитие когерентных структур объясняет гистерезисные режимы возбуждения поющего пламени, что может быть использовано для эффективного увеличения КПД горелочного устройства. В настоящее время работы, связанные с изучением обращенного поющего пламени отсутствуют.

Вопрос о физическом механизме, реализующем обратную связь между колебаниями давления и тепловой мощности пламени, остается до сих пор открытым. Общепринятым методом изучения механизма поддержания автоколебаний пламени является получение и анализ амплитудно-частотных характеристик. Между тем метод Фурье-анализа колебаний поющего пламени остался невостребованным. Как следствие этого, роль процессов переноса, вих-реобразования, изменения скорости химического превращения и резонансных свойств камеры сгорания до сих пор не понята.

Прикладное значение обращенного поющего пламени обусловлено увеличением интенсивности теплоотдачи в стенки камеры сгорания. Оно связано с увеличением скорости вращения газа в вихревых структурах при увеличении амплитуды колебаний в камере сгорания - резонаторе. Стационарные и когерентные вихревые структуры порождают специфический механизм теп-ло-массопереноса. Он заключается во взаимодействии отдельных вихревых ячеек, передающих по цепочке кинетическую энергию вращательного движения в соседние слои газа. В зависимости от типа развивающейся вихревой структуры размеры вихревых ячеек изменяются от михельсоновской толщины зоны горения до размеров пламени. Глубина проникновения вихревого движения может превышать толщину динамического и температурного пограничного слоев. Этим объясняется существенное влияние вихревой структуры на кинетику химических реакций в пламени и выбор преимущественных направлений теплового потока из зоны пламени в окружающую среду. Сведения о влиянии самопроизвольных вихревых структур на полноту сгорания топлива и интенсивность теплопередачи в камерах сгорания в научной литературе также отсутствуют.

Расширение пределов формирования вихревых структур по числу Рей-нольдса является причиной увеличения коэрцитивной силы гистерезиса, наблюдаемого при возбуждении акустических тепловых автоколебаний. Явление гистерезиса и увеличение скорости вращательного движения газа в условиях резонанса могут быть использованы при разработке эффективных, экономичных горелочных устройств.

При возбуждении акустических колебаний, возникающих при горении жидких систем, проблема изменения скорости подвода топлива в камеру сгорания не возникает вообще. Это позволяет получить количественные данные о влиянии автоколебаний горения на изменение полноты сгорания и тепловой мощности горелочного устройства. Однако сведения о закономерностях формирования «поющего» пламени и горения жидкого топлива в «поющем» пламени в научной литературе в настоящее время также отсутствуют.

Отрицательное влияние автоколебательного, вибрационного горения проявляется в неконтролируемом увеличении амплитуды колебаний и разрушении камеры сгорания. Проблема контроля над развитием неустойчивости горения в промышленных камерах сгорания и реактивных и ракетных двигателях остается актуальной до настоящего времени. Выявление основных физических механизмов, контролирующих развитие неустойчивости горения под влиянием резонанса камеры сгорания, позволяет выработать конкретные технические решения для подавления акустических колебаний.

Цель диссертационной работы состоит в изучении закономерностей возбуждения обращенного поющего пламени и поющего пламени, образуемого при горении жидкого топлива; создании комплексной методики экспериментального исследования температурного поля поющего пламени; экспериментальной проверке выводов ряда теоретических положений, объясняющих физические механизмы, управляющие явлениями вихреобразования и возбуждения акустических колебаний в трубе-резонаторе; нахождении новых, научно-обоснованных технологических решений, использующих влияние акустических колебаний и явление гистерезиса на горение и теплообмен для разработки высокоэкономичных камер сгорания;

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Экспериментально найдены условия возбуждения акустических колебаний в виде интервала значений тепловой мощности пламени, образуемого при горении бензина и горюче-смазочных материалов в вертикальной цилиндрической трубе-резонаторе, в 2 раза большим по сравнению с трубой Рийке. Показано, что возбуждение акустических колебаний сопровождается уменьшением массовой скорости горения как летучих, так и вязких нефтепродуктов и увеличением полноты их сгорания в 2 3 раза. Взаимодействие нестационарной, когерентной вихревой структуры с фронтом пламени обеспечивает обратную связь между изменением скорости горения и скорости тепло- и мас-сообмена, что приводит к устойчивым автоколебаниям скорости горения.

2. Экспериментально найдены условия возбуждения обращенного поющего пламени при горении пропановоздушных смесей в трубе-резонаторе и на теле обтекания больших размеров в виде областей, ограниченных зависимостями критериев Пекле и Рейнольдса. Особенностью возбуждения поющего пламени, как при горении жидкого топлива, так и при горении заранее перемешанных горючих газовых систем, является существование гистерезиса зависимости амплитуды колебаний от тепловой мощности пламени. Подтверждена гипотеза о влиянии пограничного слоя, формирующегося на стабилизаторе, на границы возбуждения поющего пламени и величину коэрцитивной силы гистерезисной зависимости. Обращение поющего пламени является причиной увеличения коэрцитивной силы в 1,2 1,4 раза.

3. Предложен метод цифровой фотометрии для исследования температурного поля поющего пламени при его визуализации через прозрачные стенки цилиндрической трубы. Установлено влияние периодических колебаний столба продуктов горения и воздуха в трубе-резонаторе на распределение температуры. Максимальное значение продуктов горения изменяется на 20 % за период одного колебания.

4. Обнаружено изменение скорости теплоотдачи из пламени на поверхность трубы-резонатора при переходе от стационарного режима горения к автоколебательному. Установлено, что тепловой поток из зоны пламени к стенкам трубы-резонатора увеличивается на 20-30%.

5. Изучены условия формирования обращенного диффузионного пламени пропана при горении в трубе-резонаторе. Показано, что вследствие большой высоты диффузионного обращенного пламени возбуждение тепловых автоколебаний возможно лишь при увеличении длины трубы-резонатора на порядок по сравнению с высотой диффузионного обращенного пламени.

6. Предложены физические механизмы возбуждения поющего пламени для изученных гидродинамических ситуаций. Показано, что возбуждение автоколебаний происходит под влиянием характерного профиля скорости газа с перегибом, формирующимся вблизи фронта пламени, и связано с периодическим отрывом пограничного слоя на стабилизаторе. Это является причиной расширения интервала возбуждения автоколебаний пламени при изменении тепловой мощности.

7. Предложено новое технологическое решение, реализующее способ утилизации отходов горюче-смазочных материалов в резонаторной печи при формировании поющего пламени.

На защиту выносятся:

1. Комплексная методика экспериментального исследования нестационарного пламени, позволившая визуализировать поля скоростей, произвести измерения полей температур, измерить величину тепловых потоков из зоны горения на поверхность теплообмена, установить физические процессы, приводящие к возбуждению акустических колебаний и включающая в себя автоматизированный сбор данных для одновременного снятия показаний приборов и датчиков и их математической обработки с помощью пакетов стандартных программ.

2. Экспериментальные результаты, подтверждающие: а) гипотезу о влиянии профиля скорости газа на границы возбуждения поющего пламени; б) влияние вихревого и колебательного движения газа в камере сгорания на скорость горения и полноту сгорания газового и жидкого топлива при автоколебательном горении в трубе-резонаторе с акустической обратной связью; д) экспериментальные результаты, согласно которым, автоколебания пламени сопровождаются изменением скорости, полноты сгорания топлива и интенсивности теплопередачи на поверхность теплообмена.

3. Экспериментальное обоснование механизма появления возмущений скорости и температуры газа в обращенном пламени, формирующимся на стабилизаторах, расположенных вдоль или поперек относительно оси струи газа.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемого физического механизма поддержания автоколебаний пламени, согласно которому:

1) при горении жидкого летучего топлива колебания давления приводят к периодическому изменению диаметра пламени, что приводит к изменению температуры и скорости подъема продуктов горения и, соответственно, интенсивности процессов переноса; 2) при горении газов в обращенном пламени колебания давления являются причиной изменения угла раскрытия обращенного пламени и изменения скорости гидродинамического растяжения фронта пламени, приводящего к изменению местоположения и величины максимального значения температуры. Результирующее переменное тепловыделение приводит к согласованным по фазе колебаниям давления; 3) при горении газов в бунзеновском пламени колебания расхода газа определяют согласованные по фазе колебания давления и скорости тепловыделения.

5. Техническое решение, позволяющее использовать эффект поющего пламени для повышения КПД горелочного устройства.

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обнаруженные закономерности возбуждения автоколебаний в обращенном пламени дополняют представления о возможных различных физических механизмах обратной связи между колебаниями давления и скорости горения при малых числах Рейнольдса, влиянии акустических колебаний в камере сгорания на неустойчивость горения, скорость и полноту сгорания топлива и величину теплового потока из зоны горения. Обнаруженные закономерности возбуждения поющего пламени могут быть использованы для оценки режимов устойчивого горения в камерах сгорания топок и двигателей, а также для повышения экономичности камер сгорания.

2. Диссертационная работа выполнялась на кафедре экспериментальной физики Сургутского государственного университета (2005-2008 г.г.). Предложенные физические механизмы образования тепловых автоколебаний применялись в экспериментальных исследованиях неустойчивого горения в камерах сгорания, выполнявшихся по госбюджетной тематике кафедры экспериментальной физики СурГУ, зарегистрированной во ВНТИЦ за № 0120.0 802766. Выполнение работы поддержано грантами и премиями Губернатора Ханты-Мансийского автономного округа - Югры в 2006 и 2007 годах.

Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-9] и докладывались на 13-ой. Международной конференции по звуку и вибрациям (Вена, Австрия, 2006 г.), 13-ой. Международной конференции по аэрофизическим методам исследования (Новосибирск, 2007 г.), Международной конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии (Томск, 2007 г.), 9-ом. Международном Симпозиуме по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу (Дижон, Франция, 2007 г.), 21-ом. Международном Коллоквиуме по динамике взрыва и реагирующих систем (Пуатье-Футуроскоп, Франция, 2007 г.), 8, 9-ой. научной конференции «Наука и инновации 21 века» (Сургут 2007, 2008 г.г.).

Количество основных работ по диссертации - 9.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 97 наименований. Общий объём составляет 136 страниц, включая 44 рисунка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана комплексная методика экспериментального исследования. Создана экспериментальная установка для исследования влияния самопроизвольного образования вихревых структур, формирующихся в пламени при различных условиях на автоколебательное горение.

2. В рамках применяемых методов экспериментальных исследований установлено, что основными физическими явлениями, приводящими к самопроизвольному образованию вихревых структур в пламени и автоколебательному режиму горения, являются: естественная тепловая гравитационная конвекция, гидродинамическое растяжение пламени и вихреобразование в течении со сложным профилем скорости, обусловленным влиянием пограничного слоя на стабилизаторе.

3. Обнаружена гистерезисная зависимость амплитуды акустических колебаний при изменении скорости подвода горючей газовой смеси, что объясняется консервативностью вихревых структур в осциллирующем столбе газа к изменениям внешних условий. При обращении газо-воздушного пламени на поперечно расположенном относительно скорости потока стабилизаторе гистерезис проявляется в уменьшении скорости горючей смеси, при которой происходит бифуркация фронта пламени.

4. Возникновение автоколебаний при горении жидких систем сопровождается уменьшением массовой скорости горения и увеличением полноты сгорания топлива.

5. Показано, что вихревые структуры, возникающие при автоколебаниях горения, являются причиной увеличения интенсивности теплообмена между фронтом пламени, продуктами горения и стенками камеры сгорания в 1,1 1,2 раза. Предложен физический механизм увеличения коэффициента теплоотдачи, связанный с перестройкой поля скоростей в осциллирующем потоке (аннуляр-ным эффектом Ричардсона).

6. Обнаружено явление смены ведущей гармоники колебаний при горении обращенного пламени на стабилизаторе.

7. Предложено техническое решение, использующее тепловые автоколебания для разработки экономичной технологии сжигания топлива в камерах сгорания с использованием эффекта «поющего» пламени. Разработана модель резонаторной печи для сжигания отходов горючих и смазочных материалов.

1. Мурунов Е.Ю. Резонаторная печь / Е.Ю.Мурунов, В.П. Самсонов // Патент на полезную модель 54417 МПК F24C 9/00 Сург. гос. ун-т. - 2006100889/22; Заявл. 10.01.2006; Опубл. 27.06.2006; Бюл. № 18.

2. Murunov E.Yu. Conditions of excitation of sound for condensed and gas fuels / E.Yu. Murunov, V.P. Samsonov // 13rd Int. Conference on Sound and Vibration: Vienna, Austria, 2006. - P.P. 42-46.

3. Murunov E.Yu. Experimental Investigation of Influence of "Stretch-Effect" on Flame Front Structure / E.Yu. Murunov, V.P. Samsonov, M.V. Alexeev // IX Int. Sympos. on Self-propagating High-temperature Synthesis: Dijon, France, 2007. -P.-5.

4. Murunov E.Yu. Oscillating Conditions and Quenching of inverse Gas Flame in passing Flow / E.Yu. Murunov, V.P. Samsonov // 21th Int. Colloq. on the Dynamics of Explosion and Reactive Systems: Poitiers-Futuroscope, France, 2007.-P.P. 105-109.

5. Мурунов Е.Ю. Роль вихревых структур в механизме возбуждения автоколебательного горения конденсированных систем / Е.Ю. Мурунов, В.П. Самсонов, М.В. Алексеев // Журнал технической физики. 2008. - Т. 78, вып. 8. -С. 34-41.

6. Мурунов Е.Ю. Низкочастотные колебания открытого диффузионного пламени // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии: Материалы международной конференции. Томск, 2007. - С. 135.

7. Мурунов Е.Ю. Влияние гидродинамики пламени на вибрационное горение конденсированных систем // Материалы VIII окружной конференции молодых ученых Наука и Инновации XI века. Сургут, 2008. - Т. 1. - С.15-16.

8. Мурунов Е.Ю. Эксприментальное исследование поющего обращенного пламени // Материалы IX окружной конференции молодых ученых Наука и Инновации XI века. Сургут, 2009.- Т. 1. -С. 12.

9. Лотов К.В. Физика сплошных сред. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. 144 с.

10. Патнем А.А. Общие замечания по автономным колебаниям при горении: В кн. Нестационарное распространение пламени. Сб. науч. ст. / Пер. с англ.; Под ред. Дж. Г. Маркштейна. М.: Изд-во. Мир, 1968. - С. 232-253.

11. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974, 711 с.

12. Векштейн Г.Е. Физика сплошных сред в задачах. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 208 с.

13. Самсонов В.П. Экспериментальное изучение стационарного распространения пламени в трубе / В.П. Самсонов, С.А. Абруков, А.Е. Давыдов и др. // Физика горения и взрыва. 1982. - Т. 18, - № 6. - С. 45-48.

14. Самсонов В.П. Распространение пламени в импульсном поле ускорений / В.П. Самсонов // Физика горения и взрыва. 1984. - Т. 20, - № 6. — С. 5861.

15. Самсонов В.П. Экспериментальное исследование влияния гравитационных условий на горение: Диссертация на соискание степ. канд. физ.-мат. наук / В.П. Самсонов; Чувашский гос. ун-т. Чебоксары, 1984. - 151 с.

16. Подымов В.Н. О новом виде поющего пламени / В.Н. По дымов // Изв. высш. учеб. заведений. Физика. 1957. - № 3. - С. 171-172.

17. Rached В.М., Ahmed Z.S. Entropy generation in developing laminar fluid flow through a circular pipe with variable properties. / Heat Mass Transfer. — 2005.-V. 42.-P. 1-11.

18. Ларионов В.М. Автоколебания газа в установках с горением / В.М. Ларионов, Р.Г. Зарипов. Казань: Изд-во. Казан, гос. тех. ун-та., 2003. - 227 с.

19. Неустойчивость горения в ЖРД / Пер. с англ.; Под ред. Д.Т. Харье и Ф.Г. Рирдона. М.: Мир, 1975. - 869 с.

20. Теория топочных процессов / Под ред. Г.Ф. Кнорре. Л.: Энергия, 1966. — 491 с.

21. Гельфанд Б.Е., Бартенев A.M., Медведев С.П., Поленов А.Н., Хомик С.В. / Газодинамические явления при воспламенении и горении гомогенных смесей вблизи неплоских поверхностей // Российский химический журнал. — 2001. Т. 45, №3. - С. 5-14.

22. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение / Б.В. Раушенбах. М.: Физматгиз, 1961.-500 с.

23. Рэлей Теория звука: В 2 т. / Рэлей. М.: Гостехиздат, 1955. - Т. 2. - 300 с.

24. Неймарк Ю.И. Об условиях самовозбуждения поющего пламени / Ю.И. Неймарк, Г.В. Аронович // Журн. электротехн. физики. — 1955. Т. 28, — вып. 5.-С. 567-578.

25. Афанасьев В.В., Абруков С.А., Кидин Н.И. и др. Исследование условий возбуждения ламинарного кинетического поющего пламени // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31, № 4. С. 34-40.

26. Афанасьев В.В. Активное управление устойчивостью горения электрическим разрядом // Физика горения и взрыва. 1999. Т. 35, № 4. С. 43-52.

27. Афанасьев В.В. О механизме возбуждения поющего пламени на гомогенной смеси / В. В. Афанасьев, С. В. Ильин, Н. И. Кидин // Физика горения и взрыва. 2002. - Т. 38, № 4. - С. 14-24.

28. Самсонов В.П. Экспериментальное измерение энергии вихревого движения газа при автоколебаниях в свободно-конвективном течении // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, Вып. 2. С. 1-5.

29. Самсонов В.П. Роль вихревой структуры в механизме поддержания тепловых автоколебаний // Письма в ЖТФ. 2003. - Т. 29, Вып. 10. - С. 1-5.

30. Самсонов В.П. Измерение локальных тепловых потоков при теплообмене поверхности с вихревой структурой / В.П. Самсонов // Письма в ЖТФ. -2003.-Т. 29, Вып. 17.-С. 1-5.

31. Самсонов В.П. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени при малых числах Рейнольдса: Диссертация на соискание степ. докт. физ.-мат. наук / В.П. Самсонов; Сургутский гос. ун-т. Сургут, 2003. - 203 с.

32. Аккерман В.Б., Бычко В.В. / Пламя с реальным тепловым расширением в нестационарном турбулентном потоке. // Физика горения и взрыва. -2005. -Т. 41. №4. -С. 3-17.

33. Колебательные процессы в ограниченных и неограниченных струях / Р.Г. Галиуллин, В.М. Ларионов, Т.И. Назаренко, Л.А. Тимохина // Труды III Междунар. Конф. «Неравновесные процессы в соплах и струях». М., 2000. -С. 97-98.

34. Kim J. Numerical simulation and flight experiment on oscillating lifted flames in coflow jets with gravity level variation / J. Kim, K.N. Kim, S.H. Won etc.// Combustion and Flame. 2006. - V. 144, № 4. p. 181-193.

35. Williams T.S. The response of buoyant laminar diffusion flames to low frequency forcing / T.S. Williams, C.R. Shaddix, R.W. Schefer and P. Desgroux / Combustion and Flame. 2007. - V. 151, № 4. - P. 676-684.

36. Голованов A.H. Влияние акустических возмущений на свободно-конвективное течение / А.Н. Голованов // Прикладн. механика и технич. физика. 2006. - Т. 42, № 5. - С. 27-33.

37. Мансуров З.А. / Сажеобразование в процессах горения (обзор) // Физика горения и взрыва. -2005. -Т. 41. №4. -С. 137.

38. Wang H.Y. Nonlinear oscillations in diffusion flames / H.Y. Wang, J.K. Bechtold and C.K. Law // Combustion and Flame. 2006. - V. 145, № 1-2. - P. 376-389.

39. Бабушкин И.А. Вибрационная конвекция в ячейке Хеле — Шоу. Теория и эксперимент / И. А. Бабушкин, В. А. Демин // Прикладная механика и техническая физика. 2006. - Т. 47, № 2. - С. 40-48.

40. Lock. A.J. Liftoff characteristics of partially premixed flames under normal and microgravity conditions / A.J. Lock-, A.M. Briones, X. Qin and etc // Combustion and Flame.-2005.-V. 143, №2.-P. 159-173.

41. Арамян A.P. Вихри в газоразрядной плазме / А.Р. Арамян, Г.А. Галечан // Успехи физических наук. 2007. - Т. 177, № 11. - С. 1207-1230.

42. Noiray N. Self-induced instabilities of premixed flames in a multiple injection configuration / N.Noiray, D. Durox, T. Schuller and S. Candel // Combustion and Flame. 2006. - V. 145, № 3. - P. 435-446.

43. Маркштейн Г. Взаимодействие между распространением пламени и возмущениями потока / Г. Маркштейн // Вопросы горения: Сб. переводов науч. ст. Пер. с англ.; Под ред. Л.П. Петрова. — М.: Изд-во. Иностранной лит-ры., М., 1953.-Т.1 С. 103-109.

44. Masataro S. Behavior and Structure of Internal Fuel-Jet in Diffusion Flame Under Transverse Acoustic Excitation. / Takao Atarashi, Wataru Masuda // Combustion scince and technology. 2008. - V. 179, - P. 2581-2597.

45. Franceoise B. Responses of a Lifted Non-Premixed Flame to Acoustic Forcing / David Demare // Combustion scince and technology. 2008. - V. 179,- P. 905-932.

46. Kartheekeyan S. An experimental investigation of an acoustically excited laminar premixed flame / S. Kartheekeyan, S.R. Chakravarthy // Combustion and Flame.- 2006. V. 146, № 3. - P. 513-529.

47. Tongxun Yi. Adaptive control of combustion instability based on dominant acoustic modes reconstruction / Ephraim J. Gutmark // Combustion scince and technology. 2008. - V. 180, - P. 249-263.

48. Ditaranto M. Combustion instabilities in sudden expansion oxi-fuel flames / M. Ditaranto, J. Hals // Combustion and Flame. 2006. - V. 146, № 3. - P. 493-512.

49. Birbaud A.L. Upstream flow dynamics of a laminar premixed conical flame submitted to acoustic modulations / A.L. Birbaud, D.Durox, S. Candel // Combustion and Flame. 2006. - V. 146, № 3. - P. 541-552.

50. Fritsche D. An experimental investigation of thermoacoustic instabilities in a premixed swirl-stabilized flame / D. Fritsche, M. Furi and K. Boulouchos // Combustion and Flame. 2007. - V. 151, № 1-2. - P. 29-36/

51. Kang D.M. Combustion dynamics of a low-swirl combustor / D.M. Kang, F.E.C. Culick, A. Ratner // Combustion and Flame. 2007. - V. 151, № 3. - P. 412425.

52. Teerling O.J. Pressure wave excitation of natural flame frequencies / O.J. Teerling, A.C. Mcintosh, J. Brindley / Combustion Theory and Modelling. -2007.-V. 11, № l.-P. 147-164.

53. Новожилов Б. В. Об акустическом резонансе при горении порохов / Б. В. Новожилов // Физика горения и взрыва. 2000. - Т. 36, № 1.-С. 5-11.

54. Новожилов Б.В. / Горение энергетических материалов в акустическом поле (обзор) // Физика горения и взрыва. -2005. -Т. 41. №6. -С. 116-136.

55. Новожилов Б.В. Связь между откликами скорости горения пороха на гармонически меняющиеся давление и радиационный тепловой поток / Б. В. Новожилов, М. Коно, Т. Морита // Физика горения и взрыва. 2003. - Т. 39, № 4. - С. 79-86.

56. Корнилов В.Н. Влияние срыва пламени на горение малых частиц в акустически пульсирующем потоке / В. Н. Корнилов, Е. Н. Кондратьев // Физика горения и взрыва. 2000. - Т. 36, № 2. - С. 10-16.

57. Тукмаков A.JI. Распределение твердых частиц в акустическом поле резонансной трубы при различных режимах возбуждения колебаний / А.Л. Тук-маков // Теплофизика и аэромеханика. 2005. - № 2. - С. 219-227.

58. Глазнев В.Н. Эффект Гартмана, область существования и частоты колебаний / В. Н. Глазнев, Ю. Г. Коробейников // Прикладная механика и техническая физика. 2001. - Т. 37, № 4. - С. 62-67.

59. Сухинин С.В. Акустические колебания около тонкостенных цилиндрических препятствий в канале / С. В. Сухинин // Прикладная механика и техническая физика. 1999. - Т. 35, № 4. - С. 133-142.

60. Зарипов Р.Г. Продольные нелинейные колебания газа в закрытой трубе / Р. Г. Зарипов, Р. И. Давыдов, Н. В. Сонин // Прикладная механика и техническая физика. 1999. - Т. 35, № 6. - С. 60-62.

61. Баев В.К. Управление тяговыми характеристиками прямоточной камеры сгорания пульсирующего горения с помощью акустических резонаторов / В. К. Баев, Д. Ю. Москвичев, А. В. Потапкин // Физика горения и взрыва. -2000.-Т. 36, №5.-С. 3-6.

62. Фитцжеральд Р.П., Брюстер М.К. / Горение слоевых топлив (обзор). // Физика горения и взрыва. -2005. -Т. 41. №6. -С. 95-115.

63. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах / Б. Льюис, Г. Эльбе. -М.: Мир, 1968.-592 с.

64. Chaudhuri S. Blowoff characteristics of bluff-body stabilized conical premixed flames with upstream spatial mixture gradients and velocity oscillations / Swetaprovo Chaudhuri, Baki M. Cetegen // Combustion and Flame. 2008. - V. 153, №4.-P. 616-633.

65. ChapaiTO A. Transfer function characteristics of bluff-body stabilized, conical V-shaped premixed turbulent propane-air flames variation / A. Chaparro, E. Landry, B.M. Cetegen // Combustion and Flame. 2006. - V. 145, № 1-2. - P. 290-299.

66. Гремячкин В.М., Истратов А.Г. Об устойчивости плоского пламени в потоке с градиентом скорости / В.М. Гремячкин, А.Г. Истратов // Горение и взрыв. Москва, 1972. - С. 305-308.

67. Karlovitz В., Denniston D.W.Jr., Knapshaefer D.H., Wells F.E. (1953) Studies on turbulent flames. Proc. Combust. Instit., 4, 613.

68. Wieske P. Experimental investigation of the extinction of curved laminaridiffusion flames / Peter Wieske, Gerd Griinefeld // Combustion and Flame. -2008.-V. 153, №4.-P. 647-649.

69. Santamaria A. FT-IR and NMR characterization of the products of an ethylene inverse diffusion flame / A. Santamaria, F. Mondragon, A. Molina and etc. // Combustion and Flame. 2006. - V. 146, № 1-2. - P. 52-62.

70. Santamaria A. Effect of ethanol on the chemical structure of the soot extractablc material of an ethylene inverse diffusion flame / A. Santamaria, E.G. Eddings and F. Mondragon // Combustion and Flame. 2007. - V. 151, № 1-2. - P. 235244.

71. Park J.S. Edge flame instability in low-strain-rate counterflow diffusion flames / J.S. Park, D.J. Hwang, J. Park and etc. // Combustion and Flame. 2006. - V. 146, №4.-P. 612-619.

72. De Swart J.A.M. Detailed analysis of the mass burning rate of stretched flames including preferential diffusion effects / J.A.M. de Swart, G.R.A. Groot, J.A. van Oijen and etc. // Combustion and Flame. 2006. - V. 145, № 1-2. - P. 245-258.

73. Al-Abdeli Y.M., Time-varying behaviour of turbulent swirling nonpremixed flames / M.A. Mikofski, T.C. Williams C.R. Shaddix and L.G. Blevins // Combustion and Flame. 2006. - V. 146, № 1-2. - P. 200-214.

74. Mikofski M.A. Flame height measurement of laminar inverse diffusion flames / M.A. Mikofski, T.C. Williams C.R. Shaddix and L.G. Blevins // Combustion and Flame. 2006. - V. 146, № 1-2.-P. 63-72.

75. Алексеев М.М. Метод цифровой фотометрии в исследовании структуры вихревого пламени / М.М. Алексеев, В.П. Самсонов // Письма в Журнал технической физики. 2007. - Т. 33, вып. 11. - С. 34-40.

76. Хауф В. Оптические методы в теплопередаче / В.Хауф, У. Григуль. М.: Мир, 1973.-240 с.

77. Абруков С.А. Теневые и интерференционные методы исследования оптических неоднородностей / С.А. Абруков. Казань: Изд-во. Каз. ун-та, 1962.-83 с.

78. Гейдон А.Г. Пламя, его структура, излучение и температура / А.Г. Гейдон, Х.Г. Вольфгард. М.: Металлургиздат, 1959, 333 с.

79. Фристром P.M. Структура пламени / P.M. Фристром, А.А. Вестенберг. М.: Металлургия, 1969. — 364 с.

80. Лепендин Ф.Л. Акустика / Ф.Л. Лепендин. М.: Высшая школа, 1978. - 448 с.

81. Драздейл Д. Введение в динамику пожаров / Д. Драздейл. М.: Стройиздат, 1990.-424 с.

82. Зельдович Я.Б. Математическая теория горения и взрыва / Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблатт, В.Б. Либрович и др. М.: Наука, 1980. - 478 с.

83. Алексеев Б.В. Физическая газодинамика реагирующих сред / Б.В. Алексеев, A.M. Гришин. -М.: Высшая школа, 1985. 464 с.

84. Физические величины: Справочник // Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Брат-ковский A.M. и др.; Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 980 с.

85. Кривулин В.Н., Кудрявцев Е.А., Баратов А.Н. и др. Влияние ускорения на пределы распространения гомогенных газовых пламен // Физика горения и взрыва 1981.-Т. 17. - № 1.-С. 47-52.

86. Кривулин В.Н., Кудрявцев Е.А., Баратов А.Н. и др. Исследование горения околопредельных газовых смесей в невесомости // Доклады АН СССР -1979.-Т. 247.-№5.-С. 1184-1186.

87. Парфенов JI.K. Исследование горения водородо-кислородной смеси в условиях невесомости // Физика горения и взрыва 1978. - Т. 14. - № 4. С. 9-13.

88. Okajima S. Kumagai S. Measurements of burning velocity near the lower flammability limit by using spherical flames zero-gravity // Colloq. Int. Berthelot Vieille-Mallard-Le Chatelier 1981. Bordeaux, 1981. V. 1. S. 1. P. 61-66.

89. Овсянников Л.В. Газовый маятник / Л. В. Овсянников // Прикладная механика и техническая физика. 2000. - Т. 41, № 5. - С.

90. Алексеев М.М. Стабилизация обращенного пропано-воздушного пламени на струне, натянутой вдоль потока / М.М. Алексеев, В.П. Самсонов // Физика горения и взрыва. 2009. - Т. 45, № 2. - С. 1-18.

91. Самсонов В.П. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени. — Томск.: Издательство Томского государственного университета, 2003. — 124 с.

92. Гупта А. Закрученные потоки / А.Гупта, Д. Лили, Н. Сайред. М.: Мир, 1987.-588 с.

93. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. -М.: Энергоиздат, 1981.- 416 с.

94. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Механика: В Ют. / Л. Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. М.: Наука, Физматлит, 1988. Т. 1. - 216 с.

95. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения / Д.Б. Сполдинг М.: Энергоиздат, 1959.-320 с.