Горение газа вблизи пределов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

Замащиков Валерий Владимирович

Горение газа вблизи пределов

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 5 ОКТ 2012

Новосибирск - 2012

005053690

005053690

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

Научный консультант доктор физико-математических наук. Бабкин Вячеслав Степанович Официальные оппоненты:

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

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

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

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное >-чреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук.

Защита состоится "21" ноября 2012 года в 15.00 на заседаніи диссертационного совета Д 003.014.01, на базе ИХКГ СО РАН, по адресу г. Новосибирск, ул. Институтская, д. 3 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХКГ СО РАН Автореферат разослан " " 12 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.х.н. & "" Оншдук А. А.

Общая характеристика работы Актуальность работы. В связи с потребностью в миниатюрных и энергоемких источниках питания, миниатюрных горелках и микродвигателях в последнее время активно исследуются процессы горения в микро реакторах. Известно, однако, что существует критический (тушащий) размер канала. Пламя не может проникнуть в каналы размером меньше критического вследствие теплопотерь из фронта пламени в стенки канала. Критический размер канала зависит от типа горючего, его содержания в смеси и имеет большое практическое значение. При проектировании химических реакторов и других устройств необходимо учитывать эти размеры для того, чтобы обеспечить взрывобезопасность устройств. С другой стороны, при создании миниатюрных ректоров желательно, наоборот, организовать горение в реакторах, размер которых меньше критического. В связи с этим исследования газового горения в узких каналах, то есть вблизи пределов, являются очень актуальными.

Отметим еще причины, по которым изучение околопредельных пламен являются актуальными. Во-первых, актуальность вызвана необходимостью решения принципиальных вопросов пожаровзрывобезопасности для разработки научных основ и создания стандартов в области охраны труда, в частности, стандартов по определению показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов, технологических процессов, гражданских зданий и промышленных сооружений. Во-вторых, она вызвана необходимостью обоснованного прогноза пожаровзрывопасности в новых областях человеческой деятельности: освоении космоса; строительстве высотных зданий и сооружений; использовании экстремальных состояний веществ; в операциях с веществами, обладающими уникальными свойствами. В-третьих, интерес к изучению околопредельных пламен обусловлен их чувствительностью к избирательной диффузии, к искривлению и растяжению, к акустическим возмущениям и другим явлениям.

При уменьшении размера канала отношение площади внутренней поверхности к его объёму растет. С одной стороны, это приводит к эффективному

охлаждению продуктов сгорания, находящихся в канале, с другой стороны, свежая горючая смесь эффективно прогревается, если стенки канала имеют более высокую температуру. В теоретическом обосновании концепции критического диаметра Я.Б.Зельдович предполагал, что температура стенки постоянна и волна горения распространяется по первоначально покоящемуся горючему газу. При достаточно быстром перемещении пламени по каналу это предположение справедливо. Поток тепла из фронта пламени в стенку канала приводит к уменьшению скорости горения, а если размер канала меньше критического, то и к гашению. Однако при уменьшении скорости пламени относительно стенки канала ситуация может измениться, если продукты горения прогреют стенки канала и свежая смесь, входящая во фронт пламени будет нагреваться от горячей стенки. Это открывает практическую возможность осуществления горения в каналах размером меньше критического.

Цель данной работы. Целью настоящей работы является установление закономерностей и создание моделей околопредельных и предельных явлений, наблюдаемых при распространении газовых пламён. Для достижения данной цели автором проведены детальные исследования:

1. влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени;

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

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

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

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

6. режимов горения и условий стабилизации пламени в расходящемся газовом потоке внутри зазора, ширина которого как больше, так и меньше критического.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования. Полученные экспериментальные результаты были проанализированы и обобщены с использованием современных теоретических представлений теплофизики, гидродинамики и химической кинетики. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена комплексным и систематическим характером выполненного исследования, их сопоставлением с результатами, полученными другими исследователями, согласием с общими физическими представлениями о процессах, а также оценкой баланса массы и энергии, когда это возможно. Обоснованность аналитических моделей подтверждается сравнением с современными наиболее достоверными результатами других исследователей, а также хорошим согласием результатов, полученных с использованием этих моделей с экспериментальными результатами данной диссертации. Достоверность результатов численного решения дифференциальных уравнений обусловлена применением хорошо зарекомендовавших себя современных методов. Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые на момент их публикации: я

1. Обнаружено, что в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического при наличии потока горючей смеси существуют два стационарных режима горения: при низких скоростях потока - обычного режима и при высоких скоростях - неизвестного ранее режима с прогревом стенки. Установлены область существования пламени, колебательные явления и другие особенности этих режимов. Для режима с прогревом стенки наблюдается нижний и верхний пределы по расходу горючего газа. На нижнем пределе имеет место плавный переход из этого режима в обычный режим и обратно. На верхнем пределе -скачкообразный переход из режима с прогревом стенки в обычный режим.

Показана возможность распространения пламени в более широких концентрационных пределах в каналах в режиме с прогревом стенки, чем в каналах большего диаметра, но в обычном режиме.

2. Получены скоростные и структурные характеристики, а также установлено влияние размеров трубки, материала стенки трубки, состава смеси, типа горючего и давления на скорость пламени в режим с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического. Создана модель процесса.

3. Получены пламена, стабилизированные в расходящемся газовом потоке в щели, размер которой существенно меньше критического, и обнаружены аномально высокие скорости сгорания. Создана двухмерная модель данного процесса.

4. Обнаружены и изучены вращающиеся и спиновые пламена. Установлены условия их существования, скоростные характеристики, природа и особенности этих явлений. Показано, что если вращающиеся пламена локализуются на краю горелки (за пределами щели), то спиновые пламена локализуются внутри щелевого пространства горелки. Первые обусловлены недостаточным

. поступлением смеси к зоне пламени, вторые - взаимодействием стенки с зоной горения. Обнаружено существование многоголовой структуры вращающихся пламен.

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

6. Установлено, что средняя скорость пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического, уменьшается с увеличением скорости набегающего на него воздуха. Обнаружена зависимость скорости пламени от частоты и амплитуды модуляции скорости набегающего на него воздуха.

Практическая и научная ценность работы.

Практическая ценность.

1. Возможность проникновения пламени в каналы, размер которых меньше критического, необходимо учитывать при создании огнепреградителей и оборудования во взрывозащшценном исполнении, а также других устройств, где используется неспособность пламени проникать в узкие каналы.

2. Экспериментально получено, что возможна стабилизация пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического. Этот результат имеет практическое значение с точки зрения создания миниатюрных источников питания, горелок, двигателей и т. д.

Научная ценность.

1. Изучен новый режим распространения пламени - режим с прогревом стенки - в каналах, размер которых близок к критическому.

2. Исследован переход между режимом с прогревом стенки и обычным режимом.

3. При стабилизации пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического обнаружены скорости горения много большие нормальной.

4. Предложено горелочное устройство, представляющее собой два параллельных диска, в пространство между которыми подаётся горючая смесь. В этой горелке возможны разнообразные режимы горения, среди которых и спиновое горение.

5. Исследовано влияние скорости встречного потока окислителя и частоты ее модуляции на среднюю скорость распространения пламени в узком канале над поверхностью жидкости.

На защиту выносятся

1. Результаты экспериментального и теоретического исследования влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени.

2. Результаты экспериментального и теоретического исследования газового горения в узких трубках, размер которых как больше, так и меньше критического.

3. Результаты экспериментального и теоретического исследования газового горения в условиях расходящегося газового потока в щелях, размер которых существенно меньше критического.

4. Результаты экспериментального исследования неустойчивого горения в щелях, размер которых близок к критическому.

5. Результаты экспериментального исследования влияния скорости встречного потока, частоты и амплитуды её модуляции на среднюю скорость распространения пламени в узком канале над жидкостью.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных форумах:

1. Всероссийский Семинар: Динамика Многофазных Сред. Новосибирск. 2000.

2. IV international school-seminar. Minsk. Belarus. 2-7 September. 2001.

3. Международная конференция. Сопряженные задачи механики реагирующих сред,

информатика и экология. Томск. 2007

4. International Conference on Methods of Aerophysical Research. ICMAR-2008. Novosibirsk.

5. 7th International seminar on flame structure. Novosibirsk. July 11-19. 2011.

6. Сессия Научного совета РАН по горению и взрыву. "Современное состояние вопроса о пределах распространения пламени в газах". 11 апреля 2012 г. ИХФ РАН. Москва. Устный доклад.

Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в диссертации, получены лично Замащиковым В. В., либо под его руководством. Автор диссертации внес определяющий вклад в постановку задач, проведение экспериментов, обсуждение результатов, формулировку выводов и подготовку публикаций по теме диссертационной работы.

Публикации. Полное количество публикации 51. Результаты настоящей работы изложены в 24-х публикациях, из них 21 статья опубликована в рецензируемых международных и российских журналах, рекомендованных ВАК. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и шести глав. Содержание работы.

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

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

В настоящей работе изучалось влияние диаметра трубы на пределы распространения пламени. Эксперименты проводились в вертикальных трубах с метано-воздушными смесями. Использовался набор стеклянных труб, диаметр которых изменялся от 0.45 до 16.7 см. Длина труб диаметром 0.45-2.2 см составляла 1 м, диаметром 3.7-16.7 см - 3 м. Опыты проводились по трем схемам: 1 - верхний конец трубы открыт, нижний закрыт фланцем, зажигание смеси постоянно действующим дежурным факелом, 2 - верхний конец открыт, нижний закрыт, зажигание дежурным факелом, гаснувшим в момент остановки потока смеси, 3-верхний конец закрыт, нижний открыт, зажигание искрой на оси трубы на расстоянии 3 см от верхнего фланца. В качестве критерия предела принималось распространение пламени на всю длину трубы. По полученной предельной концентрации метана в смеси рассчитывалась адиабатическая нормальная скорость пламени на пределе его распространения. Определялся только бедный

концентрационный предел. На рис. 1 приведены все полученные результаты измерений пределов. Видно, что наблюдаются две характерные области. Для трубок диаметром (1=0.45-2 см, когда основной вид теплообмена - кондуктивный, имеет место сильная зависимость предельной нормальной скорости от диаметра трубы: ос с/к05. Полученные результаты

удовлетворительно согласуются с данными, приведенными в работах [3-5]. Для трубок диаметром <1=2-16.7 см предел не зависит от диаметра. Это можно связать с тем, что в этом случае возникает свободно конвективный теплообмен и именно он приводит к гашению пламени.

Элементарная модель гашения свободно распространяющегося пламени построена Ловачевым [6]. В настоящей работе, основываясь на работе [7], получены предельные условия для распространения пламени сверху вниз при наличии свободно-конвективного теплообмена, В теоретической модели рассматривается движение фронта пламени по газовой горючей смеси в вертикальной цилиндрической трубе по направлению вектора силы тяжести. Также как в тепловой теории Зельдовича считается, что скорость пламени и давление постоянны, температура стенок трубы - неизменна и равна температуре исходной смеси. Фронт пламени плоский. Скорость и температура газа зависят только от координаты, направленной вдоль оси трубы. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными показало хорошее согласие.

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0^

6 7 8 9 10 11 12 13 14

вид, СМ/С

Рис. 1. Зависимости диаметра трубы от нормальной скорости на пределе распространения пламени сверху вниз в бедных метано-воздушных смесях

Согласие теории с экспериментом указывает на то, что гашение пламени в широких трубах происходит благодаря свободно конвективному теплообмену. Конвективный теплообмен можно усилить, создавая искусственные перегрузки. Для этого в настоящей работе горючую смесь, находящуюся в цилиндрическом сосуде диаметром 22.3 см и высотой 2.5 см, раскручивали вокруг оси с угловой скоростью со. Смесь поджигалась в центре электрической искрой. Распространение пламени регистрировалось через стеклянное основание цилиндра методом непрерывной развертки. Использовались смеси метана с воздухом при начальном давлении 0.1, 0.15 и 0.2 МПа. Опыты показали, что при <э=0 пламя распространяется осесимметрично по всему объему сосуда. Выгорание смеси полное. На заключительной стадии в продуктах сгорания наблюдается вторичное свечение, обусловленное сжатием продуктов горения - Махе-эффектом.

При а> 0 пламя распространялось до некоторого критического радиуса г^ и гасло. Выгорание смеси частичное. Махе-эффект отсутствует. Эксперименты показали, что с увеличением нормальной скорости ускорение, при котором происходит гашение, растет. Это согласуется с гипотезой о возможности гашения пламени благодаря конвективному теплообмену в продуктах горения. Вторая глава посвящена исследованию процесса быстрого распространения пламени внутри трубки. После литературного обзора по данной теме приводится схема экспериментальной установки, описывается методика проведения экспериментов и анализируются полученные результаты. Эксперименты проводились в горизонтальных трубках. Через один конец трубки подавалась горючая смесь. Внутренний диаметр трубок больше критического. В качестве горючего газа использовались углеводородо-воздушные смеси. Измерялась средняя видимая скорость распространения пламени и форма фронта пламени. Обработка видеоматериала показала, что пламя либо аксиально-симметричное, либо имеет наклон вследствие свободной конвекции. Наклон появляется, когда видимая скорость уменьшается, то есть при достаточно больших расходах. Причем, чем больше внутренний диаметр трубки, тем в большем диапазоне расходов и составов

смесей наблюдаются наклонные пламена. Поверхности симметричных пламен аппроксимируются частью сферы. Отклонение от сферы наблюдается лишь у стенки трубки, где пламя от нее "отходит", становясь более плоским. Получены зависимость радиуса этой сферы от расхода горючего газа для симметричных пламен разного состава. Эксперименты показали, что при существенном изменении расхода кривизна пламени меняется незначительно. В работе приводятся зависимости радиуса фронта пламени от состава смеси для трех трубок. Радиус кривизны уменьшается при приближении к верхнему или нижнему концентрационным пределам.

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

а>

О -4

-8-

2 -12-ш

I -164

о. -20 о

о

-24

О 6.2%С3Н8 Л 6.3%С3Н8 ▲ 2.9%С3Н8 О 2.8%С3Н8

0 4 8 12 16 20 скорость в центре трубки, см/с Рис. 2. Зависимости средней скорости распространения пламени от скорости горючего газа в центре трубки. X - гашение пламени.

70-, диаметр трубки - 7,0 мм 60-

возрастала. В трубке диметром внешний - 9,25 мм; внутрений - 7.0 мм

" 6.7%С3Н8+ерздух

5.1 мм пламя в этом месте гасло. '-,,„, ^ и

О.9уоЬ3П8

Причем гашение происходило в момент, когда поверхность пламени максимальна.

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

аппроксимируются прямой

линией. При увеличении расхода видимая скорость уменьшается и когда она становится достаточно маленькой, наблюдается переход в режим с прогревом стенки (РПС). Необычное явление наблюдается при приближении к пределу по составу смеси. Когда расход небольшой, пламя способно распространяться по трубке, но, начиная с определенного расхода, наблюдается гашение, и только при достаточно больших расходах пламя опять

распространяется по трубке, но уже в РПС. Зависимости видимой скорости пламени при нулевых расходах горючего газа от состава пропано-воздушной смеси показаны на рис. 3. Видно, что для трубки диаметром 7.0 мм наблюдается два максимума. Резкий высокий экстремум связан с турбулизацией пламени, вызванной акустическими колебаниями. Второй экстремум соответствует максимуму скорости

В 505 402 сз

§ 30л

§ 20-

о.

о

о 10 0

5,1 ММ

8

2 3 4 5 6 ] пропан, % об. Рис. 3. Зависимости скорости распространения пламени от содержания пропана в смеси для трех разных трубок.

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

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

жидкостью: равномерный и пульсационный [8]. Большинство экспериментов проводились без обдува пламени воздухом. В настоящем разделе приведены результаты экспериментального исследования влияния встречного воздушного потока на среднюю скорость распространения пламени над горючей жидкостью.

Эксперименты проводились в горизонтальной кварцевой трубке дайной 1 м. Внешний диаметр трубки - 11 мм, толщина стенки 1 мм. В качестве горючей жидкости использовался бутанол-1 (температура вспышки 35°С). Один конец трубки соединялся с системой подачи воздуха. Инициирование волны горения осуществлялось через открытый конец. Пламя распространялось от открытого конца к закрытому против потока воздуха в пульсационном режиме. Наблюдаемые пульсации были негармоническими. Амплитуда колебаний зависела от глубины жидкости и расхода воздуха. Средняя скорость распространения пламени определялась по зависимости координаты фронта пламени от времени. Как правило, зависимости координаты пламени от времени аппроксимировались прямой линией. Эксперименты показали, что при небольших расходах воздуха скорость сильно зависит от температуры, при которой проводились эксперименты. Однако с ростом расхода наблюдалась тенденция к уменьшению чувствительности скорости к температуре. В связи с этим для того, чтобы уменьшить разброс данных, эксперименты проводились при изменении температуры в небольших пределах.

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

При малых и больших расходах происходило гашение пламени, то есть наблюдались верхний и нижний пределы по расходу воздуха. Причем поведение пламени перед гашением сильно отличались в этих двух случаях. С уменьшением расхода амплитуда колебания возрастала, она достигала нескольких сантиметров и

пламя гасло. С увеличением расхода уменьшалась скорость пламени, пламя устанавливалось в месте изменения глубины жидкости, амплитуда колебаний уменьшалась. При еще больших расходах пламя сдувалось и гасло. Полученная зависимость средней скорости пламени от средней скорости газа при разных глубинах жидкости перед фронтом приведены на рис. 4. Средняя скорость газа определялась по известному расходу и глубине жидкости перед пламенем. Видно, что с увеличением скорости встречного потока средняя скорость пламени уменьшается.

Для определения характера движения, совершаемого пламенем, производилась скоростная

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

Можно ожидать, что, если поток воздуха сделать не постоянным, а изменяющимся во времени, то отклик пламени будет зависеть от частоты изменения скорости воздуха. Кроме того максимальный отклик будет наблюдаться на частотах, близких к характерным частотам колебания пламени. Результаты исследования, проведенного в настоящей работе, подтвердили это предположение. Эксперименты проводились в той же кварцевой трубке. Для модуляции потока воздуха дополнительно менаду трубкой и расходомером устанавливался динамик. На

средняя скорость газа, см/с Рис. 4. Зависимость средней скорости пламени от средней скорости набегающего газа. Глубина жидкости изменяется от 1 до 2.5 мм.

динамик подавался синусоидальный сигнал с генератора. Частота сигнала изменялась в диапазоне от 18 до 40 Гц. Для того чтобы убедиться в том, что средний расход газа не зависит от его модуляции, расход газа измерялся с помощью счетчика объема газа фирмы "Ritter" TG05 при наличии и отсутствии электрического сигнала на динамике. Расход при этом изменялся не больше, чем на 3.5 %. Это изменение лежит в пределах точности измерения расхода и его можно не учитывать.

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

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

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

воздействия звука на пламя, показала, что при таких амплитудах модуляции пламя совершает почти гармонические колебания с частотой 30 Гц. Характер поведения, когда скорость пламени возрастает сразу после включения звука, а затем убывает, говорит о том, что, пламя либо загаснет, либо, в конце концов, начнет распространяться с постоянной средней скоростью.

Картина существенно меняегся при частоте модуляции 18 Гц. В этом случае также наблюдается гашение,

но уже при амплитудах колебаний пламени больше 21 мм. Зависимость усредненной за период колебаний координаты от времени для случая, когда пламя не гаснет, приведена на рис. 5. Видно, что после включения модуляции, пламя после небольшого нестационарного участка распространятся с постоянной большей по величине средней скоростью. Были измерены отношения скорости пламени при наличии модуляции к скорости пламени без модуляции при разных амплитудах колебаний пламени (рис. 6). Все эксперименты проводились при одном том же

100

40-

20-

температура 20,5иС расход 12,2 см3/с глубина жидкости 3 мм

звука нет

18гц, амплитуда 18 мм

звука нет

20 40 60 80 100 120 140 160 время, с

Рис. 5. Зависимость усредненной координаты пламени от времени без воздействия и под действием звука.

1

>5 0>

& 164

О О.

о

б 1.4

а

s

| 1.2

О

X

5 1.0-1

глубина жидкости 3,2-3.7 мм расход 12,2 см3/с ^

частота 18 гц

6 8 10 12 14 16 18 20 22

амплитуда колебаний, мм Рис. 6. Зависимость отношения средней скорости пламени при наличии модуляции скорости набегающего газа к средней скорости пламени без модуляции от амплитуды колебаний.

расходе 12.2 см /с. Глубина жидкости от опыта к опыту менялась в диапазоне от 3.7 до 3.2 мм. Комнатная

температура, а значит и температура жидкости, изменялась от опыта к опьпу в диапазоне от 19.8 до 21.8°С. Так как скорости пламени при воздействии звуком и без звука измерялись за один опыт и затем находились их отношения, то можно рассчитывать на то, что полученные таким образом данные не должны сильно зависеть от температуры. Видно, что средняя скорость пламени возрастает при наличии модуляции почти в 1.8 раза.

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

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

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

ё з

2

5

о 2

и"

Н

о-

1 - кварцевая; внешний/внутренний =5/2.6

2 - кварцевая; 4.9/2.7

3 - стальная; 3/2.5

4 - фарфоровая; 5/2.6

5 - кварцевая; 5.1/3.1

1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 а, см3/с

Рис. 7. Зависимости 11(0) для разных трубок.

переход в режим с прогревом стенки трубки (на рис. 8 с прямой 1 на 2). На рис. 8 видно, что при средних скоростях газа больше -30 см/с возможны два режима распространения

пламени: обычный (3) и режим с прогревом стенки (2). Обычный

О 4.0% СзН8+а1г;внеш/внут-7.1/5.1 О 4.0% СзН8+а1г;внут-5 мм,У1диапд .1и

3 ■

с прогревом стенки трубка охлаждалась в том месте, где находилось пламя. Это

приводило к резкому увеличению скорость пламени, то есть наблюдался переход в обычный режим (3). Особенностью такого перехода является то, что пламя распространяется по нагретой внешним источником (применялся для предотвращения конденсации воды в продуктах горения) и продуктами горения части трубки, поэтому экспериментальные точки не ложатся на прямую 1.

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

Итак, с увеличением расхода горючего газа наблюдается постепенный переход из обычного режима (1, рис.8) в режим с прогревом стенки (2). При

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

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

Зависимости и((}) при разном содержании пропана в смеси показаны на рис. 9 и 10. Эти зависимости имеют одинаковый вид для разных типов горючего и разных материалов трубок. С увеличением С> скорость пламени растет. При приближении к концентрационным пределам зависимости 11(0) смещаются вверх. Это объясняется тем, что скорость перемещения пламени относительно стенки трубки и определяется разницей между скоростью горючего газа вблизи фронта и скоростью перемещения волны горения по горючей смеси (определяется

1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2

1.2 1.6 2.0 2.4

О, см3/с

Рис. 9. Зависимости и(СЗ). Кварцевая трубка: внешний диаметр - 4.9 мм, внутренний -2.7 мм.

О, см3/с

Рис. 10. Зависимости и(О). Кварцевая трубка: внешний диаметр - 4.9 мм, внутренний -2.7 мм.

нормальной скоростью). Так как фронт пламени не плоский, а скорость и температура газа зависят от радиальной координаты, то в каждой точке фронта скорость газа и нормальная скорость будут вычитаться так, что результирующая скорость распространения пламени вдоль оси трубки будет одинаковой на всей поверхности фронта. В противном случае процесс будет нестационарным. Тогда можно ввести понятие «средняя скорость горения газа». При данном <3 большим значениям и соответствует меньшая «средняя скорость горения газа».

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

Как видно на рис. 9 и 10, для метано- и пропано-воздушных смесей нижний предел распространения пламени по расходу горючего газа почти не зависит от содержания горючего в смеси. Эксперименты показали, что он также не зависит от материала трубки и теплообмена с окружающей средой. Мало того, согласно рис. 7, нижний предел для этих топлив слабо зависит от внутреннего диаметра трубки.

Однако для водородно-воздушных смесей нижний предел по расходу горючего газа, в отличие от метановых и пропано-воздушных пламен, существенно зависит от состава смеси. Это связано с тем, что нижний предел зависит от теплофизических свойств горючей смеси. В метано- и пропано-воздушных смесях при изменении составов их теплофизические свойства изменяются незначительно из-за того, что объемная доля горючего в смеси невелика. Теплофизические свойства смесей, содержащих 15 и 70% водорода отличаются существенно, так как теплофизические свойства водорода и воздуха заметно различны.

Отметим особенности горения богатых водородно-воздушных смесей в режиме с прогревом стенки. Зависимости и(0>) для них приведены на рис. 11. Внутренний диаметр трубки для смесей с содержанием водорода 70% и 75.6% меньше критического, поэтому на нижнем пределе по расходу горючего газа пламя гасло. Диапазон расходов, при которых существует волна горения для смеси, содержащей 70% водорода, очень большой. Средняя скорость горючего газа в трубке в этом диапазоне С> изменяется от 0.8 до -19 м/с, при этом число Рейнольдса Яе достигает значения ~ 1500. Таким образом, движение горючего газа вдали от фронта можно считать ламинарным (11е<2000). Так как скорость пламени гораздо меньше скорости газа, то нормальная скорость в вершине пламени, если предположить, что пламя не имеет разрыва и цилиндрически симметричное, равна скорости газа в центре трубки. В случае справедливости этих рассуждений следует, что нормальная скорость в вершине пламени возрастает больше, чем в 20 раз (скорость газа в центре для пуазейлевского течения 38 м/с, нормальная скорость для смеси 70%Н2+воздух -1.2 м/с, измерена в настоящей работе).

Все полученные зависимости температуры от времени при распространении пламени в режиме с прогревом стенки имеют одинаковый вид: температура стенки трубки повышается перед фронтом пламени, достигает своего максимума в продуктах и затем падает. Расстояние между положением максимума температуры стенки и положением фронта пламени уменьшается, а величина максимальной температуры стенки Т„тах растет (рис. 11, 12) по мере увеличения расхода горючего

скорости паламени от расхода. Кварцевая трубка: температуры стенки от расхода горючего газа

внешний диаметр - 4.9 мм, внутренний -2.7 мм. Кварцевая трубка: внешний диаметр -4.9 мм,

внутренний -2.7 мм.

газа, что может сопровождаться возрастанием температуры свежего газа, входящего в зону горения. Рост температуры свежего газа приводит к возрастанию скорости горения. Это происходит до того момента, пока максимум температуры стенки не будет находиться в месте расположения фронта пламени, после чего Тмтзх перестает расти и даже падает (рис. 12). Далее происходит переход в обычный режим (верхний предел по расходу газа), а если диаметр трубки меньше критического, то происходит гашение пламени. Отметим, что при больших значениях температуры стенки, когда свежий газ может прогреться вплоть до температуры самовоспламенения, величина скорости горения может расти в гораздо больших пределах, что должно приводить к существенному возрастанию верхнего предела. Это и наблюдается при горении водородно-воздушной смеси (рис. 11).

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

Для метано-воздушной смеси справочное значение нижнего концентрационного предела, полученное при минимизации теплопотерь 5.28%, верхнего -14.1% [10]. Для пропана-воздушной смеси

справочное значение нижнего концентрационного предела -2.3%, верхнего - 9.4%. То есть, диапазон существования

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

Концентрационные пределы распространения пламени определяются теплопотерями из фронта пламени и поэтому зависят от внутреннего диаметра трубки. С уменьшением внутреннего диаметра нижний концентрационный предел увеличивается, а верхний уменьшается. На рис. 14 показаны зависимости бедного и богатого концентрационных пределов распространения пламени в режиме с прогревом стенки от внугреннего диаметра трубки. С увеличением диаметра трубки

2.8

2.4

.<¿2.0-о

01.6-І

Кварцевая трубка внеш. диаметр-4.9мм внутр. - 2.7 мм

3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0 С3Н8, % Об.

Рис. 13. Зависимости верхнего (2) и нижнего (1) предельных расходов горючего газа от состава смеси.

концентрационная область

существования режима с прогревом стенки расширяется и с бедной и с богатой стороны. Для сравнения на этом же рисунке приведены экспериментально определенные пределы

распространения пламени в тех же трубках методом проскока пламени (обычный режим). Видно, что в режиме с прогревом стенки пределы шире.

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

Для стехиометрической метано-воздушной смеси были получены экспериментальные зависимости и(С)) при двух давлениях 1 и 2.1 атм. Возникли трудности с получением режима с прогревом стенки при повышенных давлениях. Рост давления приводил к возникновению акустической неустойчивости. Колебания пламени вызывали изменение его скорости, и даже гашение. С увеличением расхода амплитуда колебаний возрастала, поэтому удалось получить режим с прогревом стенки при 2.1 атм. только при небольших расходах. Увеличение давления приводит к уменьшению скорости пламени, то есть к увеличению средней скорости горения. Увеличение средней скорости горения возможно: из-за увеличения нормальной скорости с возрастанием давления, из-за изменения поверхности пламени, из-за большего прогрева горючей смеси, входящей во фронт пламени, нагретой стенкой

диаметр, мм

Рис. 14. Зависимости верхнего (2, 4) и нижнего (1, 3) концентрационных пределов от диаметра трубки. 3, 4 - для проскока пламени; 1,2- для режима с прогревом стенки; 5 - критический диаметр

трубки. Согласно [13] нормальная скорость уменьшается с ростом давления. Поверхность при тех же средних скоростях газа изменяется незначительно,

поэтому увеличение средней скорости горения связано с более сильным прогревом стенки трубки.

Для более детального исследования влияния давления на скорость пламени была выбрана богатая водородно-воздушная смесь (70%Н2).Это связано с тем, что ранее проведенные эксперименты показали, что горение таких смесей более устойчиво к акустическим возмущениям. Это позволило исследовать горение в режиме с прогревом стенки во всем возможном для данной установки диапазоне давлений. Полученные зависимости и от средней скорости горючего газа приведены на рис. 15. Видно, что с ростом давления скорость пламени и не уменьшается. Предположим, что нормальная скорость не зависит от давления. Тогда, как уже упоминалось выше, увеличение давления при прочих равных условиях, то есть неизменной нормальной скорости и площади поверхности фронта горения, приводит к возрастанию массовой скорости сгорания и, как следствие, к увеличению температуры стенки трубки и потока тепла по ней от продуктов в свежую смесь. Повышение температуры стенки и увеличение потока тепла из продуктов в свежую смесь, в свою очередь, должно приводить к увеличению нормальной скорости и средней скорости сгорания, а это в свою очередь к уменьшению скорости пламени. Однако в данном случае это не наблюдается. Можно предположить, что это связано со значительным уменьшением нормальной скорости с ростом давления. В настоящей работе были проведены измерения нормальной скорости в бомбе постоянного объема в диапазоне давлений от 1 до 4 атм. Нормальная скорость измерялась двумя

V, см/с

Рис. 15. Зависимости скорости пламени от средней скорости горючего газа при разных давлениях.

способами: по зависимости радиуса очага горения от времени и по записи давления. Измерения показали, что, действительно, в этом диапазоне давлений с ростом давления в 4 раза нормальная скорость уменьшается почти в 3 раза.

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

На основе этих представлений построена упрощенная математическая модель, в которой приняты следующие допущения. Плоский фронт пламени распространяется по движущейся горючей смеси равномерно со скоростью С/ 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-воздушньши 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 с/ и соответствующего ему расхода горючего газа <Э позволяет оценить среднюю скорость газа V, втекающего во фронт пламени, приведенную к комнатной температуре. По средней скорости можно судить о величине нормальной скорости пламени 5Ц (у = 5„). Были построены зависимости средней скорости V от диаметра светящегося кольца для разных смесей, расходов и зазоров между пластинами. Как и следовало ожидать, средняя скорость газа в месте расположения пламени у 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 V 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. На рис. 16 показаны экспериментальные (непрерывные линии) и теоретические зависимости скорости от ширины щели. Пунктирные линии

1600-

1.0

1200-

о

0.8

го о.

0.6

i- 800-

Q) С

0.4

.■■■ 18%

16%

0.2

0-I—.—,—.—,—.—,—.—і—.—,—г—г—,—

. 0.0. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0-

0.0

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6

зазор, мм

координата, мм Рис. 17. Экспериментальные (квадраты) и расчетные зависимости температуры и нормализованной

Рис. 16. Расчетные и экспериментальные зависимости скорости от ширины зазора. Точки и сплошные линии - эксперимент. Пунктирные линии - расчет, ак. - предэкспонента изменяется.

плотности и скорости газа от координаты

на рисунке соответствуют случаю, когда предэкспонента везде одинаковая, прерывистая линия - предэкспонента в пристеночной области больше. 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/с, 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/с 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

расход, см°/с Рис. 18. Зависимости скорости перемещения очага пламени по окружности от расхода горючего газа.

область). Расстояние от места нахождения пламени до точки подачи горючей смеси при этом если и изменялось, то незначительно. 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 с 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 пространств; стабилизировать фро1гт пламени в широком диапазоне расходов горючей смес1 визуализировать процесс горения, определять скоростные, структурные критические характеристики горения, изучать неустойчивость фронта пламени, частности, спиноподобные, хаотические колебательные режимы горения. Это тип горелки в настоящее время используется в других лабораториях мира исследовательских целях.

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

8. Обнаружены и изучены вращающиеся и спиновые пламена. Установлен условия их существования, скоростные характеристики, динамика переходны 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 rnixturi 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 A. M., Никулин В. В. Влияние гравитационной конвекции на пределы распространения пламени//Сб. Химическая физика процессов

горения и взрыва. Горение гетерогенных и газовых систем. Черноголовка, 1977, с. 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, Т. 19, № 2, с. 17-26

Ю.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 К. Т., 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 B.C. Фильтрационное горение газов //Распространение тепловых волн в гетерогенных средах: Сб. науч. тр./ Под ред. Ю.Ш. Матроса. Новосибирск: Наука, 1988, С. 108-145.

15.Ju Yiquanq, Xu В. 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, с. 53-61.

2. В. В. Замащиков, Я. В. Козлов, А.А. Коржавин, B.C. Бабкин. Горение газа в узких одиночных каналах// ФГВ, 2010, т. 46, № 2, с.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, A.M. 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 bi вращающемся газе. ФГВ, 1982, т. 18, № 3, с. 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, с. 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, A.A. Коржавин, Ю.М. Лаевский, B.C. Бабкин. Особый режим фильтрационного горения газов// ДАН, 2009, т. 428, № 4, с. 484486.

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 Sei 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. 2226.

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. В. В. 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, № 2 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, с. 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.Zamashcliikov. Burning in narrow channel at an elevated pressure//7ft 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

Автореферат:

Формат 60x84 1/16,2,25 п.л. Тираж 120 экз. Заказ №254 от 07.08.2012 Отпечатано в ООО «КопиПринт»

г. Новосибирск, ул. Золотодолинская, 1. тел. (383) 330-66-23

Ведение.

Глава 1. Влияние конвективного теплообмена на пределы распространения пламени.

1. Пределы распространения пламени в трубах.

1.1. Тепловая теория. Критический диаметр.

1.2. Влияние свободной конвекции.

1.2.1. Распространение пламени по вектору силы тяжести.

1.2.1.1. Описание модели и сравнение с экспериментом.

1.2.1.1.1. Модель.

1.2.1.1.2. Решение уравнений.

1.2.1.1.3. Сравнение с экспериментом.

1.2.2. Распространение пламени против вектора силы тяжести.

1.3. Гашение пламени во вращающемся диске.

Основные результаты.

Глава 2. Распространение пламени в узких трубках, диаметр которых больше критического.

2.1.1 Экспериментальная установка.

2.1.2. Форма фронта пламени.

2.1.3. Акустические колебания.

2.1.4. Видимая скорость.

2.2. Зависимость нормальной скорости от кривизны и растяжения.

Основные результаты.

Глава 3. Горение жидкости в узких трубках в потоке воздуха.

3.1. Влияние встречного воздушного потока на распространение пламени над горючей жидкостью.

3.1.1 Эксперимент.

3.1.2. Результаты и обсуждение.

3.2. Влияние частоты модуляции скорости воздуха на горение жидкости.

3.2.1. Установка.

3.2.2. Результаты.

Основные результаты.

Глава 4. Экспериментальное и теоретическое исследование режима горения с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического.

4.1. Возможность газового горения в трубках, диаметр которых меньше критического.

4.2. Режим с прогревом стенки в трубках из различных материалов.

4.3. Переход из обычного режима в режим с прогревом стенки в трубках, диаметр которых больше критического.

4.4. Влияние состава смеси на скорость пламени в режиме с прогревом трубки.

4.5. Влияние типа горючего.

4.6. Распределение температуры в стенке трубки.

4.7. Влияние теплопотерь в окружающую среду.

4.8. Влияние внешних возмущений на горение в режиме с прогревом стенки.

4.9. Пределы.

4.10. Влияние поверхности на цепные разветвленные реакции.

4.11. Влияние давления на горение газа в режиме с прогревом стенки.

4.11.1 .Эксперимент.

4.11.2. Результаты.

4.11.3 Измерение нормальной скорости в бомбе постоянного объема.

4.11.3.1. Установка.

4.11.3.2. Измерение нормальной скорости по начальному участку записи давления.

4.11.3.3. Измерение нормальной скорости по зависимости радиуса очага от времени.

4.12. Оценочная теоретическая модель горения в режиме с прогревом стенки.

4.12.1. Физическая модель.

4.12.2. Основные уравнения и граничные условия.

4.12.3. Сравнение с экспериментом.

4.13. Сравнение режима низких скоростей (РНС), наблюдаемого в пористой среде, и режима с прогревом стенки.

Основные результаты.

Глава 5. Исследование режима горения в осесимметричном расходящемся газовом потоке внутри зазора между параллельными плоскостями.

5.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов.

5.1.1. Первая серия экспериментов.

5.1.2. Вторая серия экспериментов.

5.2. Результаты, полученные в первой серии экспериментов.

5.3. Результаты, полученные во второй серии экспериментов.

5.4. Численное моделирование.

5.4.1. Модель.

5.4.2. Граничные условия.

5.4.2.1. Газ.

5.4.2.2. Диски.

5.5. Результаты численного расчета.

5.5.1. Калибровка модели.

5.5.2. Адиабатический случай (нет проскальзывания газа на границе).

5.5.3. Неадиабатический случай.

5.5.4. Возрастание предэкспоненциального множителя в законе

Аррениуса вблизи поверхности диска.

Основные результаты.

Глава 6. Неустойчивый режим горения в узкой щели.

Спиновое горение газа.

6.1. Газовые вращающиеся пламена.

6.1.1. Экспериментальная установка.

6.1.2. Результаты.

6.2. Спиновое горение в пространстве между двумя дисками.

6.2.1. Эксперимент.

6.2.2. Результаты.

Основные результаты.

Актуальность работы. Под пределом распространения пламени будем понимать параметр, определяющий границу существования некоторого стационарного волнового процесса горения. Предел обусловлен гашением пламени или сменой режима распространения. Смена режима может быть связана с появлением или вырождением принципиальных свойств режима, изменением механизма распространения и с другими причинами.

Наиболее часто под пределом понимается прекращение химических реакций, что обусловлено проблемами пожаровзрывобезопасности. Однако даже в простейшем случае пламени в гомогенной газовой смеси нарушение теплового баланса, приводящее к гашению, может происходить по разным причинам: в результате кондуктивного или конвективного теплообмена, в результате деформации фронта пламени (стреч-эффект) и по другим причинам. Пределы типа режимного перехода наблюдаются, например, при фильтрационном горении газов при переходе горения в детонацию в процессах с потерей устойчивости.

Как правило, предел реализуется при изменении какого-либо определяющего параметра. Это отражается часто в используемых терминах: "концентрационный предел", "температурный предел", "предел по давлению", "предел по размеру" ("критический диаметр"). В названии предела может быть отражена природа предела: кондуктивный, конвективный, радиационный и др.

Предел - это факт, событие, которому предшествуют процессы и причины, приводящие к этому факту, событию. Поэтому, кроме собственно пределов представляют интерес и околопредельные явления. Предкризисное состояние системы очень информативно и заслуживает внимания и изучения. Например, в каналах, близких к предельным по способности к распространению пламени, важны не только критические параметры скорости пламени или концентрации топлива, но и параметры причастных процессов и эффектов: гравитационной конвекции, гидродинамической и диффузионно-тепловой устойчивости, гидродинамического сопротивления, кривизны и деформации пламени, теплопотерь из зоны пламени. Учет роли и значения этих факторов в каждом конкретном случае - сложная задача.

Актуальность обсуждаемой проблемы обусловлена рядом обстоятельств. Во-первых, необходимостью понимания механизмов реализации новых стационарных режимов горения, так как эти механизмы тесно связаны с природой пределов. Во-вторых, необходимостью решения принципиальных вопросов пожаровзрывобезопасности для разработки научных основ и создания стандартов в области охраны труда, в частности, стандартов по определению показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов, технологических процессов, гражданских зданий и промышленных сооружений. В-третьих, необходимостью обоснованного прогноза пожаровзрывопасности в новых областях человеческой деятельности: освоения космоса, строительстве высотных зданий и сооружений, использовании экстремальных состояний веществ, в операциях с веществами, обладающими уникальными свойствами. Отметим еще одну причину, по которой обсуждаемая проблема является актуальной. В последнее время в связи с потребностью в миниатюрных и энергоемких источниках питания, миниатюрных горелках и микродвигателях активно исследуются процессы горения в микро реакторах. Согласно тепловой теории Зельдовича Я.Б. существует критический (тушащий) размер канала. Он характеризуются тем, что пламя не может проникнуть в более узкие каналы вследствие теплопотерь в стенки из фронта пламени. С другой стороны, при создании миниатюрных ректоров желательно, наоборот, организовать горение в реакторах, размер которых меньше критического.

В историческом аспекте важное инициирующее влияние на развитие науки о пределах имела работа Я. Б. Зельдовича [1]. В этой работе показано, что причиной возникновения пределов распространения пламени являются теплопотери в стенки трубки и теплопередача излучением. В узких трубках реализуется первый случай. В широких трубах (более 5 см) - теплопотери излучением. Если теплопотери связаны с теплоотдачей в стенки трубки, по которой распространяется пламя, то количественным критерием для предела распространения пламени является критическое число Пекле Ре=8ис1/х=сопэ!:, где Зи - нормальная скорость, с1 - критический диаметр, % - коэффициент температуропроводности. Интересно, что Д. А. Франк-Каменецкий пишет: "Теплоотвод непосредственным соприкосновением имеет место только при распространении пламени в трубах конечного диаметра. Но теплопотери излучением существуют всегда, их относительная величина зависит только от состава смеси. Именно теплоотвод излучением определяет концентрационные пределы распространения пламени" [2]. Таким образом, в работе [1] дан анализ только одного определяющего процесса - теплоотдачи из зоны пламени. Данная работа - это попытка посмотреть на проблему пределов с другой точки зрения и учесть другие процессы, которые могут быть ответственными за реализацию пределов.

Среди наиболее актуальных задач изучения околопредельных и предельных явлений, наблюдаемых при распространении газовых пламён, были выбраны:

- исследование влияния гравитационной конвекции

- исследование влияния движения горючей смеси по каналу

- исследование влияния движения окислителя по каналу над горючей жидкостью

- исследование влияния прогрева стенки канала распространяющимся по каналу пламенем

- исследование неустойчивого и стабильного горения в расходящемся газовом потоке в узком канале.

Названные задачи являются предметом исследований данной диссертации.

Цель данной работы. Целью настоящей работы является установление закономерностей и создание моделей околопредельных и предельных явлений, наблюдаемых при распространении газовых пламён. Для достижения данной цели автором проведены детальные исследования:

1. влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени;

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

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

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

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

6. режимов горения и условий стабилизации пламени в расходящемся газовом потоке внутри зазора, ширина которого как больше, так и меньше критического.

Диссертация состоит и шести глав. Первая глава посвящена изучению конвективных пределов. В ней дается краткий обзор работ по этой теме, и приводятся экспериментальные и теоретические результаты, полученные в настоящей работе по распространению пламени в вертикальной трубе сверху вниз и снизу вверх. Показано, что предел распространения пламени сверху вниз определяется конвективным теплообменом, и это проявляется в не зависимости предельной концентрации горючего в смеси от диаметра трубы.

В трубах, диаметр которых близок критическому, свободная конвекция, напротив, не оказывает большого влияния, а основными теплопотерями становятся кондуктивные. Вс> второй главе рассматривается этот случай.

Показано, что в узких трубках возможны два режима: полученный впервые в 9 настоящей работе - режим с прогревом стенки и обычный режим, когда стенка холодная. В этой главе исследуется в основном обычный режим, в частности, переход из ламинарного горения в турбулентное. Третья глава посвящена исследованию горения жидкости в узких трубках в потоке воздуха. В ней изучается влияние скорости потока воздуха и ее модуляции на характеристики волны горения. Результаты детального исследования, полученного впервые в настоящей работе режима с прогревом стенки, приводятся в четвертой главе. В этой главе рассмотрено влияние размера и материала трубки, давления, состава смеси и теплообмена с окружающей средой на характеристики волны горения. Пятая и шестая глава посвящены исследованию горения в предложенной в настоящей работе горелке. В этой горелке создается осесимметричный расходящийся газовый поток внутри зазора между параллельными плоскостями. Условия стабилизации и основные характеристики стабилизированного пламени изучаются в пятой главе. В шестой главе рассматривается неустойчивое горение, которое наблюдается в случае, когда зазор между пластинами больше критического. Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые на момент их публикации:

1. Обнаружено, что в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического при наличии потока горючей смеси существуют два стационарных режима горения: при низких скоростях потока - обычный режим и при высоких скоростях - неизвестный ранее режим с прогревом стенки. Установлены область существования пламени, колебательные явления и другие особенности этих режимов. Для режима с прогревом стенки наблюдается нижний и верхний пределы по расходу горючего газа. На нижнем пределе имеет место плавный переход из этого режима в обычный режим и обратно. На верхнем пределе - скачкообразный переход из режима с прогревом стенки в обычный режим. Показана возможность распространения пламени в более широких концентрационных пределах в каналах в режиме с прогревом стенки, чем в каналах большего диаметра, но в обычном режиме.

2. Получены скоростные и структурные характеристики, а также установлено влияние размеров трубки, материала стенки трубки, состава смеси, типа горючего и давления на скорость пламени в режиме с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического. Создана модель процесса.

3. Получены пламена, стабилизированные в расходящемся газовом потоке в щели, размер которой существенно меньше критического, и обнаружены аномально высокие скорости сгорания. Создана двухмерная модель данного процесса.

4. Обнаружены и изучены вращающиеся и спиновые пламена. Установлены условия их существования, скоростные характеристики, природа и особенности этих явлений. Показано, что если вращающиеся пламена локализуются на краю горелки (за пределами щели), то спиновые пламена локализуются внутри щелевого пространства горелки. Первые обусловлены недостаточным поступлением смеси к зоне пламени, вторые - взаимодействием стенки с зоной горения. Обнаружено существование многоголовой структуры вращающихся пламен.

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

6. Установлено, что средняя скорость пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического, уменьшается с увеличением скорости набегающего на него воздуха. Обнаружена зависимость скорости пламени от частоты и амплитуды модуляции скорости набегающего на него воздуха.

Практическая ценность.

1. Возможность проникновения пламени в каналы, размер которых меньше критического, необходимо учитывать при создании огнепреградителей и оборудования во взрывозащищенном исполнении, а также других устройств, где используется неспособность пламени проникать в узкие каналы.

2. Экспериментально получено, что возможна стабилизация пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического. Этот результат имеет практическое значение с точки зрения создания миниатюрных источников питания, горелок, двигателей и т. д.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования. Полученные экспериментальные результаты были проанализированы и обобщены с использованием современных теоретических представлений теплофизики, гидродинамики и химической кинетики. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена комплексным и систематическим характером выполненного исследования, их сопоставлением с результатами, полученными другими исследователями, согласием с общими физическими представлениями о процессах, а также оценкой баланса массы и энергии, когда это возможно. Обоснованность аналитических моделей подтверждается сравнением с современными наиболее достоверными результатами других исследователей, а также хорошим согласием результатов, полученных с использованием этих моделей с экспериментальными результатами данной диссертации. Достоверность результатов численного решения дифференциальных уравнений обусловлена применением хорошо зарекомендовавших себя современных методов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных форумах:

1. Всероссийский Семинар: Динамика Многофазных Сред. Новосибирск. 2000.

2. IV international school-seminar. Minsk. Belarus. 2-7 September. 2001.

3. Международная конференция. Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатика и экология. Томск. 2007

4. International Conference on Methods of Aerophysical Research, ICMAR 2008. Novosibirsk.

5. 7th International seminar on flame structure. Novosibirsk July 11-19, 2011.

6. Сессия Научного совета РАН по горению и взрыву. "Современное состояние вопроса о пределах распространения пламени в газах". 11 апреля 2012 г., ИХФ РАН. Москва. Устный доклад.

Публикации. Полное количество публикации 51. Результаты настоящей работы изложены в 24-х публикациях, из них 21 статья опубликована в рецензируемых международных и российских журналах, рекомендованных ВАК.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической кинетики и горении СО РАН. Исследования проводились в соответствии с планами научно исследовательских работ ИХКГ СО РАН. Работа поддерживалась грантами: INTAS-96-1173, РФФИ 98-03-32308, РФФИ 99-03-32309, РФФИ 03-03-32357, РФФИ 93-03-18508, №111,2007 СО РАН