Исследование релаксационного распространения пламени в каналах

Семенов, Олег Юрьевич

Исследование релаксационного распространения пламени в каналах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Семенов, Олег Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Сургут МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование релаксационного распространения пламени в каналах»

Автореферат диссертации на тему "Исследование релаксационного распространения пламени в каналах"

На правах рукописи ф'-

Семенов Олег Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В КАНАЛАХ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2014

005548322

Работа выполнена в государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры», на кафедре экспериментальной физики.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Самсонов Виктор Петрович

Официальные оппоненты:

Матвиенко Олег Викторович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск, кафедра теоретической механики, профессор

Шарыпов Олег Владимирович, доктор физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск, заместитель директора по научной работе; лаборатория радиационного теплообмена, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова», г. Чебоксары

Защита состоится 27 июня 2014 г. в 10-30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.13, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 (корпус НИИ ПММ, ауд. 209).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на официальном сайте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайге ТГУ: Ьйр:/Мм^15и.ги/сот1ш1/пе^аппоипсетеп1_о^^

Автореферат разослан « 23 » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Христенко Юрий Федорович

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Диффузионно-тепловые и гидродинамические явления, сопровождающие релаксационное распространение фронта пламени в трубах, определяют также и закономерности изменения физических параметров в других задачах внутренней баллистики. Перегородки, подвижные стенки, поршни, имеющиеся в камерах сгорания и являющиеся элементами колебательной системы, создают условия, при которых возникают колебания продуктов сгорания и фронта пламени. Иногда образуется положительная обратная связь между колебаниями давления и скорости горения, управляющая механическим движением элементов камер сгорания, гидродинамикой пламени и неустойчивостью горения. В магистральных газопроводах и компрессорах высокого давления при нештатных ситуациях часто возникают релаксационные колебания, называемые «помпаж». Помпаж приводит к разрушению силовых элементов конструкции.

Использование положительной обратной связи представляет собой значительный ресурс для повышения экономичности и безопасности при эксплуатации энергетических устройств. Этим объясняется актуальность и практическая важность исследований релаксационного распространения пламени в каналах.

В настоящее время в научной литературе сведения об экспериментальных исследованиях взаимодействия фронта пламени с элементами конструкций камер сгорания ограничены.

Примером актуальных технических приложений исследований релаксационного горения являются гидродинамические явления, сопровождающие пожары в шахтах, туннелях, производственных помещениях, газопроводах и др. Предложения по изменению формы и размеров каналов, при которых их амплитудно-частотные характеристики позволят подавлять фронт пламени, являются основой для разработки мер производственной безопасности.

Широко известный эффект, сопровождающий релаксационное горение - формирование «тюльпана», может при определенных обстоятельствах проявиться в новых формах. Возможность обнаружения новых гидродинамических и диффузионно-тепловых эффектов при релаксационном горении газовой смеси в канале может быть связана с движением стенок канала и увеличением поперечных размеров канала. В известной степени она прогнозируется с учетом предполагаемого изменения давления и объема камеры сгорания. Закономерности релаксационного распространения фронта пламени в каналах в настоящее время находятся в начальной стадии изучения. Эксперименталь-

ных исследований в этом направлении проведено недостаточно для понимания физических механизмов, управляющих формой фронта пламени и переходом к автоколебаниям горения. В частности, данные о влиянии геометрии канала и теплофизических свойств горючей смеси в развитии неустойчивости горения и процессов переноса в научной литературе ограничены.

В этой связи исследование релаксационного распространения фронта пламени является актуальной научной задачей для понимания связи гидродинамических, тепловых и диффузионных процессов в реагирующей среде с кинетикой химического превращения вещества.

Такими параметрами являются: форма и размеры канала, число и расположение подвижных элементов камеры сгорания, скорость и ускорение газа и фронта пламени, химический состав, теплофизические свойства горючей смеси и др. Ожидаемыми признаками достижения эффекта являются: потеря устойчивости фронта пламени, приобретение новых форм его поверхности, изменение скорости распространения, возбуждение колебаний давления, температуры.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Предложен новый экспериментальный метод моделирования распространения фронта пламени по пропано-воздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что коэффициент заполнения канала горючей газовой смесью изменяется в широких пределах. Используется зажигание горючей смеси в одной или нескольких точках объема камеры сгорания, в том числе и на поверхности поршня. Применяется метод временной задержки воспламенения горючей смеси в разных точках камеры сгорания.

2. Предложены оригинальные экспериментальные методы диагностики структуры пламени для измерения полей скорости и температуры при формировании «тюльпана» и взаимодействии фронта пламени и поршня. Среди них: а) метод цифровой фотометрии исследования температурного и концентрационного полей пламени; б) метод цифровой обработки изображений для изучения динамики возмущений на поверхности фронта пламени; в) метод визуализации фронта пламени через прозрачное дно поршня.

3. Получены, новые экспериментальные данные о форме и скорости распространения фронта газовоздушного пламени в модельной камере внутреннего сгорания. Показано, что влияние поршня на устойчивость и структуру фронта пламени опосредовано через амплитуду и частоту инерционных и акустических колебаний газа. Обнаружено, что колебания поршня и фронта пламени происходят с запаздыванием по фазе, максимальное значение которой равно четверти периода колебаний.

4. Обнаружено явление «парадокса» поршня, заключающееся в движении поршня навстречу фронту пламени. Показано, что формирование «тюльпанообразного» пламени и «парадокс» поршня -взаимосвязанные явления, наблюдаемые при Рг<10, 1500<Яе<2250.

5. Обнаружена новая форма «тюльпана» в виде многогранной призмы. Она объясняется избирательной скоростью диффузии компонент горючей смеси в осевом и радиальном направлениях, проявляющаяся при 500<Яе<1000.

6. Обнаружен эффект проникновения одного фронта пламени через другой. Предложен физический механизм, показывающий, что результат взаимодействия фронтов пламени связан с перестройкой внешнего потенциального течения и вихревого поля скоростей вблизи каждого из фронтов пламени.

7. Найдены закономерности распространения фронта пламени между двумя поршнями и между поршнем и закрытым концом трубы. Они получены в виде зависимостей координат и ускорения фронта пламени и поршня от времени при различных условиях воспламенения.

8. Показано, что влияние сил тяжести на структуру фронта пламени может проявляться за промежуток времени, равный одному периоду релаксационных колебаний.

На защиту выносятся:

1. Разработка нового подхода, осуществляющего получение новых гидродинамических и диффузионно-тепловых эффектов, влияющих на релаксационное распространение фронта пламени в канале.

2. Комплексная методика экспериментального исследования закономерностей релаксационных колебаний фронта пламени в канале, позволившая визуализировать изменение структуры фронта при потере устойчивости, получить новые закономерности распространения фронта пламени при различных способах воспламенения горючей смеси, обнаружить физические явления, приводящие к изменению амплитудно-частотных характеристик релаксационного горения.

3. Экспериментальные результаты, подтверждающие условия получения гидродинамических и диффузионно-тепловых эффектов:

образование новых форм «тюльпана», «парадокс» поршня, дифракция фронта пламени на отверстии в преграде, закономерности взаимодействия фронта пламени с поршнем и двух фронтов пламени друг с другом.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов, управляющих обнаруженными эффектами. Среди них: изменение скорости диффузии недостающей компоненты смеси в осевом и радиальном направлениях, сдвиг фаз колебаний фронта пламени и поршня, изменение длины волны возмущений на фронте пламени и поле скоростей, формирующееся под влиянием кривизны фронта пламени.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации экспериментальных результатов обусловлена хорошей повторяемостью всех явлений и эффектов в опытах, многократно производившихся при различных характерных размерах, формах каналов и концентрациях пропана в смеси с воздухом. Сравнение между собой всех полученных разными методами экспериментальных результатов с оценками физических параметров по теоретическим формулам и эмпирическим соотношениям 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 релаксационного распространения фронта пламени в каналах и сопутствующие ему диффузионно-тепловые и гидродинамические эффекты дополняют представления о возможных причинах, условиях и формах проявления потери устойчивости фронта пламени, изменения скорости и полноты сгорания горючей смеси в открытых каналах и камерах внутреннего сгорания.

2. Полученные количественные данные, описывающие критические условия распространения пламени, могут быть использованы для повышения к.п.д. двигателей внутреннего сгорания, разработки технологий внутрипластового горения в нефтегазовом комплексе, выработки новых мер безопасности при проведении работ в шахтах, туннелях и производственных помещениях.

3. Оригинальные методы диагностики и измерений физических параметров газа в пламени могут применяться для широкого круга объектов исследования, связанных с горением и теплообменом.

4. Диссертационная работа выполнялась на кафедре экспериментальной физики Сургутского государственного университета (2009-

2013 гг.). Предложенные физические механизмы релаксационного горения в каналах и методы диагностики процессов горения и теплообмена применялись в экспериментальных исследованиях, выполнявшихся по госбюджетной тематике кафедры экспериментальной физики ГБОУ СурГУ (г. Сургут), и в учебном процессе. Выполнение работы поддержано грантом Губернатора ХМАО - Югры (2010 г.).

Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-17], докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории теплофизических методов исследования кафедры экспериментальной физики ГБОУ «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры», XI и XII Окружных конференциях молодых ученых «Наука и Инновации XXI века» (Сургут, 2010-2011 гг.), Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань, 2011), VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алема-сова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2012), XVI международной конференции по методам аэрофизических исследований ICMAR 2012 (Казань-Новосибирск, 2012), XII Международной научной конференции «Интеллект и наука» (Железногорск, 2012), IX Всероссийской научной конференции им. Ю.И. Неймарка «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород,

2012), IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2012) (Алушта, Украина, 2012), X Всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых (Черноголовка, 2012), научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2013), международной конференции по горению и взрыву - СОМВЕХ-2013 (Рамзау, Австрия,

2013), VIII всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013). Количество основных работ по диссертации - 17. Из них, в журналах, относящихся к перечню Высшей аттестационной комиссии, опубликовано 3 работы [7, 15, 17].

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 98 наименования. Общий объём составляет 111 страниц, включая 26 рисунков.

Содержание работы

В первой главе диссертации проводится анализ работ, посвященных исследованиям релаксационных явлений при горении газов в различных каналах и камерах сгорания. Релаксационное распространение фронта пламени сопровождается большим числом нелинейных гидродинамических, диффузионно-тепловых и физико-химических процессов. Этим обусловлено то, что остаются не вполне понятыми и исследованными многие гидродинамические эффекты, влияющие на релаксационное горение.

Проведенный анализ исследований, посвященных релаксационному распространению фронта пламени в каналах и камерах внутреннего сгорания, показывает, что интерес к проблеме остается значительным уже на протяжении нескольких десятков лет. Он связан с развитием фундаментальных знаний о физических механизмах, управляющих гидродинамическими, диффузионно-тепловыми явлениями, неустойчивостью горения и переходом дефлаграционного режима распространения пламени в детонацию. Обращает на себя внимание тот факт, что в последние годы имеется острый дефицит экспериментальных работ. Все большее число исследователей сосредоточено на построении, уточнении математических моделей и проведении численных экспериментов, повторяющих результаты физических экспериментов.

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

Объектом исследования является фронт пропано-воздушного пламени, распространяющийся в различных гидродинамических ситуациях.

В первой из них фронт пламени распространяется в полуоткрытой плоской или цилиндрической трубе. Во второй - распространение фронта пламени происходит между двумя поршнями или между поршнем и закрытым концом трубы. В третьей - два фронта пламени, взаимодействуют при распространении навстречу друг другу в открытом плоском канале с расширением.

Постановка эксперимента в указанных условиях продиктована возможностью разработки метода управления временем горения, когда воспламенение горючей смеси происходит одновременно в нескольких пространственно разделенных точках камеры сгорания. Площадь поперечного сечения канала не постоянна и в силу геометрии и из-за движения одного или двух поршней. Нахождение связи между явле-

ниями формирования «тюльпанообразного» пламени и амплитудно-частотными характеристиками колебаний фронта пламени и поршня объясняет управляющие механизмы обнаруженного эффекта «парадокса» поршня.

Незначительное локальное изменение диаметра трубы в силу выполнения закона сохранения массы может моделировать сильный гидродинамический эффект, влияющий на устойчивость пламени. Он заключается в возбуждении автоколебаний фронта пламени в очень коротких трубах. Подобная гидродинамическая ситуация возникает в камерах сгорания газотурбинных компрессоров высокого давления («помпаж») и в ракетных двигателях на твердом топливе (РДТ). В частности, РДТ по мере выгорания топлива конфигурация внутреннего объема изменяется. Закономерности распространения одного фронта пламени и взаимодействие нескольких фронтов пламени в подобной гидродинамической ситуации в настоящее время не изучены.

Оценки характерных размеров камеры сгорания позволили создать экспериментальную установку для изучения закономерностей распространения фронта пламени в каналах.

Использовали цилиндрические стеклянные трубы и трубы с прямоугольным поперечным сечением. Диаметр цилиндрических труб выбирали в интервале от 810'3м до 15010"3м. Размеры поперечного сечения прямоугольной трубы оставляли постоянными и равными (15><150)10"3м. Длина каждой трубы превосходила диаметр (больший размер поперечного сечения) в десятки раз. Стенки прямоугольных труб изготавливали из прозрачного плексигласа. Вертикальное расположение трубы позволяло выяснить влияние сил тяжести на симметрию и скорость распространения пламени при горении сравнительно небольших объемов горючей смеси. С этой же целью трубы с прямоугольным поперечным сечением располагали так, чтобы горизонтальной оставалась сторона трубы либо с большей, либо меньшей площадью.

Заполнение трубы пропано-воздушной смесью осуществляли через газовый вентиль, расположенный в торцевой части трубы. Воспламенение горючей смеси осуществляли электрической искрой, возникающей при высоковольтном разряде между электродами. В качестве источника высокого напряжения использовали автомобильную катушку. Фронт пламени распространялся по горючей смеси, выталкивая поршень к открытому концу трубы. Для исследования распространения фронта пламени между двумя подвижными поршнями горючую смесь подавали через вентиль в центральной части трубы. Высоковольтные электроды в этом случае вводили через стенку в центральной

части трубы. В отдельных опытах электроды устанавливали на торцевой поверхности одного из поршней. Подводящие электрические провода в этом случае изготавливали в виде гибкой легкой спирали с малым коэффициентом жесткости, что позволяло уменьшить силу сопротивления при движении поршня.

В цилиндрической трубе использовали поршень в форме тонкостенного стакана, а в прямоугольной трубе - в виде повернутой буквы «Н», чем добивались уменьшения массы поршня. Зазор между стенками поршня и трубы подбирали так, чтобы сила трения между стенками поршня и трубы была минимальной. Длина поршня превышала его диаметр (поперечный размер), а площадь поперечного сечения зазора между стенками поршня и трубы была примерно в 100 раз меньше площади поперечного сечения трубы. После удаления поршня из трубы зажигание смеси производили у закрытого или открытого конца. В этом случае на время заполнения трубы горючей смесью, открытый конец трубы закрывали.

Нормальную скорость распространения пламени и температуру продуктов сгорания изменяли путем изменения концентрации пропана в смеси с воздухом. Смеси пропана с воздухом готовили в газометре вытеснения. Относительная погрешность концентрации пропана при приготовлении смеси не превышала 0,1%. Для выяснения влияния диффузионно-тепловой неустойчивости на структуру пламени использовали горючие смеси как с избытком, так и с недостатком воздуха.

Распространение фронта пламени по горючим смесям, близким по составу к стехиометрическим, сопровождалось генерацией акустических колебаний. Их фиксировали пъезодатчиком и микрофоном. Сигналы с пъезодатчика и микрофона поступали на микшерный пульт марки XENYX 802 для усиления, после чего аналоговый сигнал поступал на преобразователь марки TiePie5008 и на компьютер.

Изображения пламени и поршней фиксировали скоростной цифровой видеокамерой модели AOS Technologies AG X-PRI и цифровой автофокусной зеркальной фотокамерой Canon EOS 30D. Максимальная частота съемки равнялась 1000 кадров в секунду. Для определения координат поршня и фронта пламени при обработке видеоизображений на стеклянной поверхности трубы наносили масштабные метки (насечки). Улучшения качества изображения поверхности поршня и трубы добивались их подсвечиванием лазерным лучом.

Скорость распространения и ускорение пламени, а также амплитуду и частоту инерционных колебаний фронта пламени и поршней вычисляли по изменениям координат изображений ведущей точки пламени на последующих двух-трех кадрах видеофильма. Измерение

координат и расстояний производили с помощью программных средств обработки цифровых изображений. Измерение скорости и амплитуды колебаний при формировании «тюльпана» производили, принимая за ведущую точку вершину конуса (воронки) на поверхности фронта пламени.

В третьей главе представлены экспериментальные результаты исследования закономерностей релаксационного распространения фронта пламени в каналах и камерах сгорания.

Исследовано изменение формы фронта пламени в зависимости от начального объема и состава горючей смеси. Получены зависимости скорости движения поршня от скорости распространения фронта пламени и длины трубы. Исследовано влияние устойчивости и ячеистой структуры пламени на полноту сгорания горючей смеси.

Было обнаружено, что поперечные размеры и форма канала не влияют на критическое значение координаты точки воспламенения горючей смеси, при которой начинаются релаксационные колебания в канале, открытом с одного конца. Полученные зависимости позволили построить диаграмму возбуждения релаксационных колебаний в полуоткрытой трубе как функцию х/Ь = /{иг /и/т)- Здесь Х/Ь - безразмерная координата точки воспламенения горючей смеси, Ь - длина трубы, м//м>1 - безразмерная видимая скорость распространения

фронта пламени, и/,„ - максимальная скорость. Диаграмма возбуждения релаксационных колебаний представляет собой внутреннюю заштрихованную область на рис. 1. Точками отмечены результаты опытов, при которых релаксационные колебания имели различную амплитуду.

Особенностью распространения фронта пламени в канале, закрытом с одного конца, при воспламенении горючей смеси у закрытого конца является ускоренное распространение пламени. Оно обусловлено тем, что видимая скорость фронта пламени складывается со скоростью движения газа. Амплитудно-частотные характеристики релаксационных колебаний связаны со скоростью теплового расширения продуктов сгорания.

Исследована эволюция круглого «тюльпана» в вертикальной и горизонтальной расположенной трубах. При горизонтальном расположении трубы конус сворачивается в тонкий спиралевидный шнур. Симметрия «тюльпана» нарушается. В этом проявляется влияние свободной конвекции, вызывающей закручивание продуктов горения в трубе. Изменение формы фронта пламени сопровождается колебаниями ведущей точки. Частота колебаний примерно равна 1 Гц. Амплитуда колебаний фронта пламени пропорциональна амплитуде колебаний газа в трубе.

1,00

0,75

0,50

0,25

0,00

0,00 0.25 0,50 0,75 1,00 и/т

Рис. 1 Диаграмма возбуждения релаксационных колебаний о - И г = 10; • - Иг = 15; □ - Ыг = 20.

В результате инерционного движения газа давление в трубе понижается. В последующий момент времени это является причиной возвращения остатков горючей смеси и окружающего воздуха в трубу с большой скоростью. Давление газа в трубе повышается повторно и следует второй цикл вытекания газа из трубы и т.д. Число циклов колебаний увеличивается с увеличением отношения г/Ь нелинейным образом. Использовали пропано-воздушные смеси с недостатком воздуха, а концентрацию пропана подбирали такую, чтобы видимая скорость распространения пламени соответствовала числу Яе <1000.

На рис. 2 представлены фрагменты из видеофильма, иллюстрирующие изменение структуры «тюльпана» для числа Яе = 650. В идно, что на начальной стадии развития «тюльпана» на поверхности фронта развиваются мелкомасштабные возмущения. Затем на круглом конусе появляется поперечный излом, сверху и снизу которого формируются шесть боковых граней.

В системе отсчета, связанной с трубой, шестигранный конус неподвижен и принимает форму шестигранного цилиндра. Это означает, что осевая и радиальная скорости течения газа в момент формирования структуры на поверхности конуса минимальны.

I" " 1 I I Ц||1 III I liflll II 1 I Ц11 lili сДО.ЮО сЦО.117 c|

Рис. 2 Эволюция «тюльпана» в форме шестигранного конуса в вертикальной трубе диаметром 110-10"3 м и длиной 1,50м

Экспериментальное исследование распространения фронта пламени за поршнем представляет собой модельную задачу физического моделирования гидродинамических и теплофизических процессов, происходящих в двигателе внутреннего сгорания. Частота колебаний столба газа с поршнем определяется формулой

f _ _L SAP ) где g _ площадь поперечного сечения тру-

Ja 2яЩа-\)-(т + М)

бы, Р - давление газа, / - длина трубы, о-коэффициент расширения продуктов сгорания, м - масса поршня, т — масса газа.

Релаксационные колебания фронта пламени при распространении за поршнем имеют две характерные особенности.

Главная из них заключается в том, что поршень обеспечивает постоянную компрессию продуктов сгорания в объеме между закрытым концом трубы и днищем поршня. Это является причиной того, что число релаксационных колебаний системы «газ-поршень» увеличивается по сравнению с релаксационными колебаниями фронта пламени при распространении в трубе, открытой с одного конца.

Вторая особенность заключается в том, что для течения за поршнем создаются характерные граничные условия, связанные с движением днища поршня, являющегося границей этой области. Моделирование распространения фронта пламени по пропано-воздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания осуществляли при коэффициенте заполнения трубы ¿><0.05.

Обнаружено, что скорость распространения фронта пламени при воспламенении у закрытого конца трубы больше, нежели при воспламенении на поршне. Это объясняется тем, что видимая скорость рас-

пространения фронта пламени по горючей смеси при воспламенении на поршне уменьшается на величину скорости движения поршня.

Характерное расположение «складок» на поверхности цилиндрического фронта пламени позволило визуализировать его медленное вращение вокруг оси трубы. Угловая скорость вращения приблизительно равна 0.1-0.2 рад/с. Вращательное движение фронта пламени наблюдали через прозрачное дно поршня (см. рис. 3).

Рис. через

При исследовании распространения фронта пламени в полуоткрытой трубе с поршнем горючей смесью заполняли весь объем трубы. Введение поршня в трубу позволяло уменьшать коэффициент заполнения трубы горючей смесью. Уменьшение коэффициента заполнения позволило обнаружить амплитудно-частотные характеристики колебаний фронта пламени и поршня. Динамика движения поршня и распространения фронта пламени в цилиндрической трубе с внутренним диаметром, равным 8-10'3 м, представлена на рис. 4.

Поршень, начиная с момента времени 0.48 с, двигается навстречу пламени. Ранее подобное явление в литературе не отмечалось. В этом проявляется «парадокс» движения поршня. «Парадокс» наблюдали только при коэффициентах заполнения трубы, меньших 0,2-Й),4. После того, как фронт пламени достигает дна поршня, поршень возвращается в исходное положение равновесия и останавливается. Динамика движения поршня и распространения фронта пламени в прямоугольной трубе аналогичны.

3 Видеограмма фронта пламени при видеосъемке прозрачное днище поршня. Труба горизонтальная.

¡вяяа^^ .....II | ищи!" с

Рис. 4 Фрагменты из видеофильма, иллюстрирующие «парадокс» поршня в цилиндрической трубе. Диаметр трубы 810"3 м. 6=0,05.

При уменьшении коэффициента заполнения трубы горючей смесью «тюльпан» за поршнем пламени не образуется. Однако амплитуда колебаний фронта пламени и поршня возрастают. Кроме условия, налагаемого на амплитуду колебаний, для наблюдения «парадокса» поршня необходимо выполнение фазовых соотношений между колебаниями скорости распространения фронта пламени и поршня. Для определения фазовых соотношений строили графики зависимости координат поршня и ведущей точки фронта пламени от времени, представленные на рис. 5. Причиной «парадокса», заключающегося в движении поршня навстречу фронту пламени, является сдвиг фаз колебаний фронта пламени и поршня. Изменяя конечное время сгорания газовой смеси и силы трения, действующие на боковую поверхность поршня, можно управлять согласованными колебаниями фронта пламени и поршня, добиваясь ситуации, при которой векторы скорости фронта пламени и поршня становятся противоположными.

На рис. 6 представлены типичные фрагменты из видеофильма, иллюстрирующие взаимодействие двух фронтов пламени, распространяющихся навстречу друг другу.

Из фотографий видно, что на поверхности фронта пламени, находящегося у конца канала, быстро развивается вполне симметричная ячеистая структура. Это вызвано гидродинамической неустойчивостью фронта пламени вследствие большего ускорения, которое испытывает газ, вытекающий из узкой части канала. Увеличивающаяся площадь поверхности фронта пламени приводит к увеличению видимой скорости распространения, поэтому оба фронта вновь смещаются в центр канала. Видно, что вихревое течение вблизи фронта, сформированное ячеистой структурой, индуцирует появление ячеистой структуры на фронте пламени, находящемся слева.

I, с

Рис. 5 Зависимости координат фронта пламени и поршня от времени при колебательном движении

Рис. 6 Взаимодействие двух фронтов пламени: слева - фронт пламени инициирован у конца канала, справа - в центре канала

В четвертой главе на основании полученных экспериментальных данных дается обоснование физических механизмов управляющих релаксационным распространением пламени в каналах.

Из проведенных опытов следует, что управляющим физическим явлением, сопровождающим релаксационные колебания фронта пла-

мени в канале, является переменное ускорение потока. Оно порождает гидродинамическую неустойчивость пламени, которая в условиях канала, создающего выбор преимущественных направлений потоков вещества и тепла, осложняется диффузионно-тепловой неустойчивостью.

Эффект появления граней на поверхности круглого «тюльпана», обнаруженный в данной работе, может быть объяснен на основе явления избирательной диффузии. Оно заключается в том, что скорости диффузии недостающей компоненты в радиальном и осевом направлении - различны.

Из данных экспериментов следует, что период колебаний пламени в трубе, при котором формируется «тюльпан», по порядку величины равен т = (0,1 + 1,0) с. Время диффузии компонентов горючей смеси на расстоянии, равном радиусу трубы, можно оценить из соотношения

Т = В1_, где Dsl-lO"*м2/с - коэффициент диффузии лимитирующей

компоненты. Сравнивая Г и Г, получим R = 4T5s0,05м - радиус трубы, в которой можно ожидать распад круглого «тюльпана» на многогранный конус или призму.

Взаимодействие двух фронтов пламени изучали как частное явление релаксационного распространения фронта пламени. Было показано, что на результат взаимодействия оказывает влияние кривизна, скорость и ускорение каждого из взаимодействующих фронтов пламени. Результат взаимодействия двух фронтов пламени связан со скоростью движения газа вблизи каждого из них. Это возможно, например, если канал имеет переменное поперечное сечение и открыт.

На каждом из концов канала скорость газа различна. Формула , где Р/ и Р2 и рх = рг— давления и плотность

П П Ро(И/1+«/г)

продуктов горения за каждым из фронтов пламени, р0 - плотность

С Q

горючей смеси, _ и zfi и и _ u л - видимые скорости

/1 п о /2 "С

распространения, Sp и — площади поверхностей фронтов, и„ -

нормальная скорость распространения пламени по горючей смеси объясняет кинематику взаимодействия фронтов пламени в открытом канале с переменным поперечным сечением.

Эффект проникновения одного фронта пламени через другой может оказаться полезным при решении ряда вопросов, связанных с

увеличением скорости, обеспечением устойчивости и повышением коэффициента полезного действия ДВС и при организации пульсирующего режима горения в высокоскоростных прямоточных воздушно-реактивных двигателях.

Инерционные и акустические колебания газа в трубе. Частота автоколебаний фронта пламени и поршня, по порядку величины в 2 раза меньше частоты акустических колебаний. Это объясняется тем, что при большой амплитуде колебаний газа изменение давления и плотности газа в трубе обусловлено скоростью инерционного движения сжатого газа.

Образование воронки на фронте пламени и «парадокс» поршня -два взаимосвязанных явления, обусловленные возрастанием амплитуды колебаний и скорости газа. Условием возникновения колебаний фронта пламени является равенство видимой скорости его распространения и скорости встречного движения газа.

Влияние кривизны фронта пламени приводит к новым гидродинамическим эффектам, если течение газа становится преимущественно двумерным. Такая гидродинамическая ситуация возникает при распространении пламени в плоских, узких каналах, в которых расстояние между одной парой стенок канала по порядку величины сравнимо с шириной тепловой зоны пламени, а расстояние между другой парой стенок во много раз больше.

Вихревое течение, порождаемое фронтом пламени, происходит только в одной плоскости, что приводит к эффекту скручивания фронта пламени в винтовую поверхность. Эффект становится очевидным, если имеется компонента скорости течения, касательная к фронту пламени. Эффект вихреобразования является причиной того, что распространение фронта пламени от закрытого конца в трубе с расширением сопровождается образованием «тюльпана» при меньших скоростях. Увеличение скорости распространения пламени приводит сначала к появлению поперечных складок на конусе «тюльпана», затем к интенсивному вихреобразованию в расширяющемся сечении трубы, разрыву фронта пламени и детонации смеси.

На основании экспериментальных результатов и оценок скорости газа, повышения давления и амплитуды колебаний фронта пламени можно сделать вывод о том, что полость, образуемая расширением трубы, играет роль резонатора колебаний давления и скорости распространения фронта пламени. Собственная частота колебаний газа

в резонаторе типа Гельмгольца определяется выражением

Оценка частоты колебаний по этой формуле дает хорошее совпадение с экспериментом. Закономерности усиления инерционных колебаний газа в резонаторе позволяют предсказать общие критерии для релаксационных колебаний газа, приводящих к «парадоксу» поршня и формированию «тюльпана». Условия наблюдения динамических эффектов, связанных с ускорением фронта пламени, представлены в координатах чисел Рг и Яе на рис. 7.

i£ Ю

0 750 1500 2250 3000 Re

Рис. 7 Режимы релаксационного распространения пламени

Здесь цифрой I отмечена область гладкого «тюльпана» и «тюльпана» с продольными гранями. Светлые кружки соответствуют области гладкого «тюльпана» ^i_25j, темные кружки <isj

соответствуют области формирования продольных ячеек на «тюльпане»; Цифрой II отмечена область формирования поперечных ячеек на поверхности «тюльпана» и наблюдения «парадокса» поршня. Светлые треугольники характеризуют формирование поперечных ячеек на «тюльпане», темные треугольники описывают область «парадокса» поршня; Цифрой III отмечена область перехода дефлаграционного горения в детонацию.

Обнаруженный эффект может быть причиной энергоразделения в вихревой трубке, трансформации профиля течения и распределения температур и может быть использован в устройствах, инициирующих или, наоборот, подавляющих неустойчивость горения в конструкциях камер сгорания энергетических установок и для выработки мер

Ш:-

s____i______

Т, " JV

1 !Л л : а !

1° "Г«"

III

O-V,.

'ЯГ

й 4

• А"

предотвращения возможных последствий при пожарах в открытых туннелях, шахтах и т.п.

«Парадокс» поршня - сопутствующее явление, сопровождающее многие технологические процессы и техногенные катастрофы: работу пневматических устройств, запуски ракет из шахт, пожары в туннелях и т.п. Поэтому знание закономерностей развития «парадокса» поршня может быть использовано для анализа и прогноза возможных последствий развития гидродинамической ситуации.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы:

1. Разработана методика комплексного изучения гидродинамических и диффузионно-тепловых явлений, происходящих при релаксационном распространении газовоздушного пламени в каналах, созданы экспериментальные установки для проведения исследований.

2. Показано, что динамические эффекты, связанные с ускорением фронта пламени в канале, открытом с одного конца, определяются интервалом критических чисел Фруда 2-ь4</гг<10 + 25 и чисел Рей-нольдса Яе = 750+ 2250. Ускорение фронта пламени порождает явление формирования «тюльпана» на поверхности пламени, как в цилиндрическом, так и в плоском канале.

3. Обнаружено явление превращения круглого «тюльпана» в многогранную призму. Получена продольная и поперечная ячеистые структуры многогранного «тюльпана».

4. Дано объяснение физического механизма, управляющего образованием и различными формами «тюльпана».

5. Обнаружено явление «парадокса» поршня, заключающееся в движении поршня навстречу фронту пламени. Предложено физическое объяснение «парадокса» поршня, заключающееся в том, что колебания поршня и фронта пламени происходят с запаздыванием по фазе, максимальное значение которой равно четверти периода колебаний.

6. Показано, что влияние поршня на устойчивость и структуру фронта пламени опосредовано через амплитуду и частоту инерционных и акустических колебаний газа. Формирование «тюльпано-образного» пламени и «парадокс» поршня — взаимосвязанные явления.

7. Найдены режимы динамических эффектов, связанные с ускорением фронта пламени и представленные в координатах чисел Гг и Яе.

8. Определены закономерности взаимодействия двух фронтов пламени в релаксационной камере сгорания.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Семенов, О. Ю. Моделирование распространения фронта пламени в стратифицированной горючей газовой смеси / О. Ю. Семенов, И. В. Смирнова, М. М. Алексеев, В. П. Самсонов // Письма в Журнал технической физики. - 2012. - Т. 38, вып. 22. - С. 15-20.-0,50/0,35 пл.

2. Семенов, О. Ю. Релаксационное горение газовой смеси в трубе: «парадокс» движения поршня / О. Ю. Семенов, М. М. Алексеев, В. П. Самсонов // Письма в Журнал технической физики. - 2013. -Т. 39, вып. 9. - С. 64-69. - 0,50 / 0,35 п.л.

3. Семенов, О. Ю. Моделирование гидродинамических явлений, сопровождающих распространение фронта пламени в трубе за поршнем / О. Ю. Семенов, М. М. Алексеев, М. В. Алексеев,

B. П. Самсонов // Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84, № 1. -

C. 53-60.-0,70/0,40 п.л.

Публикации в других научных изданиях:

4. Семенов, О. Ю. Экспериментальное исследование распространения фронта пламени в плоском канале с поршнем / О. Ю. Семенов // XI окружная конференция молодых ученых «Наука и Инновации XXI века»: сборник научных трудов. - Сургут, 2010. - С. 9-10.-0,15 п.л.

5. Семенов, О. Ю. Релаксационные колебания фронта пламени и поршня / О. Ю. Семенов // XII окружная конференция молодых ученых «Наука и Инновации XI века». - Сургут, 2011. - С. 94-96. -0,15 п.л.

6. Семенов, О. Ю. Применение цифровой фотографии для исследования структуры пламени в узком канале / О. Ю. Семенов // Сборник научных трудов Сургутского государственного университета. -Сургут, 2011. - С. 20-23. - 0,20 п.л.

7. Семенов, О. Ю. Гидродинамическая и диффузионно-тепловая неустойчивость пламени при распространении в узком канале / О. Ю. Семенов, И. В. Смирнова, М. М. Алексеев // Международная молодежная научная конференция «XIX Туполевские чтения»: сборник научных трудов: в 5 т. - Т. 1. - Казань, 2011. - С. 339-343. -0,25/0,15 п.л.

8. Семенов, О. Ю. Релаксационное распространение газовоздушных пламен в модельных камерах сгорания / О. Ю. Семенов // VIII школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении»: сборник научных трудов. -Казань, 2012. - С. 346-349. - 0,25 п.л.

9. Семенов, О. Ю. Визуализация фронта пламени в узком плоском канале / О. Ю. Семенов // XII Международная научная конференция «Интеллект и наука»: сборник научных трудов. - Железногорск, 2012. -С. 173-174.-0,15 п.л.

10. Семенов, О. Ю. Визуализация вихревого течения во фронте пламени / О. Ю. Семенов, И. В. Смирнова, M. М. Алексеев // XVI международная конференция по методам аэрофизических исследований: сборник научных трудов. - Казань-Новосибирск, 2012. -С. 14-16. -0,25/ 0,15 п.л.

П.Семенов, О. Ю. «Парадокс» поршня при колебательном распространении пламени в модельной камере внутреннего сгорания / О. Ю. Семенов, M. М. Алексеев, В. П. Самсонов // IX Всероссийская научная конференция им. Ю.И. Неймарка «Нелинейные колебания механических систем»: сборник научных трудов. - Нижний Новгород, 2012.-С. 53-57.-0,30/0,20п.л.

12. Семенов, О. Ю. Колебания пропано-воздушного пламени в цилиндрической трубе / О. Ю. Семенов, M. М. Алексеев // IX Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ' 2012): сборник научных трудов. - Алушта, Украина, 2012. - С. 25-27. - 0,15 / 0,10 п.л.

13. Семенов, О. Ю. Гидродинамика пламени в плоском канале с неподвижным поршнем / О. Ю. Семенов // X Всероссийская с международным участием школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых: сборник научных трудов. -Черноголовка, 2012. - С. 51-54. - 0,15 п.л.

14. Alekseev, M. M. Piston «Paradox» with Oscillating Flame Propagation in the Model Internal Combustion Chamber / M. M. Alekseev, O. Yu. Semenov, V. P. Samsonov // International Conference on Combustion and Explosion COMBEX-2013, Ramsau, Austria, 2013. -P. 131-132.-0,15/0,10 п.л.

15. Семенов, О. Ю. Колебательное распространение пламени в плоском канале с поршнем / О. Ю. Семенов // Научная конференция «Ломоносовские чтения»: сборник научных трудов. - Москва, 2013. -С. 232-235. - 0,25 пл.

16. Семенов, О. Ю. Релаксационные колебания фронта пламени и поршня в трубе: «парадокс» движения поршня / О. Ю. Семенов, М. М. Алексеев // VIII Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики»: сборник научных трудов. - Томск, 2013. - С. 41-43. - 0,20 /0,15 пл.

17. Семенов, О. Ю. Гидродинамические эффекты, сопровождающие распространение фронта пламени в релаксационной камере сгорания / И. В. Смирнова, О. Ю. Семенов, В. П. Самсонов // VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике: сборник научных трудов. - Екатеринбург, 2013. - С. 32-35. -0,25/0,15 пл.

Семенов Олег Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В КАНАЛАХ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 18.04.2014 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100. Заказ № 36.

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе издательского центра СурГУ. Тел. (3462) 76-30-65, 76-30-66.

Отпечатано в полиграфическом отделе издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Энергетиков, 8. Тел. (3462) 76-30-67.

ГБОУ 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.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Семенов, Олег Юрьевич, Сургут

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры»

04201460065

Семенов Олег Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИ011НОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В КАНАЛАХ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Самсонов В.П.

На правах рукописи

Сургут-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................. 4

1. РЕЛАКСА1 {ИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ ГАЗОВ...... 13

1.1 Релаксационные колебания в открытых

камерах сгорания............................ 14

1.2 Релаксационные колебания в камерах внутреннего сгорания . . . 20

1.3 Программа исследований....................... 29

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА..................... 33

2.1 Экспериментальные установки.................... 34

2.2 Объекты и методика исследования.................. 40

2.2.1 Методика исследования релаксационного

распространения пламени в плоской узкой трубе...... 41

2.2.2 Методика исследования распада круглого «тюльпана» при релаксационном распространении фронта пламени

в цилиндрической трубе..................... 43

2.2.3 Методика исследовании релаксационных колебаний

пламени при его распространении за поршнем........ 46

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕЛАКСАЦИОННОГО

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ.................. 50

3.1 Гидродинамические явления и устойчивость

фронта пламени в канале, открытом с одного конца........ 50

3.1.1 Влияние геометрии, размеров поперечного сечения канала и координаты точки зажигания на скорость распространения и форму пламени.............. 51

Стр.

3.1.2 Формы «тюльпана» на фронте пламени,

границы устойчивости...................... 55

3.2 Гидродинамические явления и устойчивость

фронта пламени при распространении за поршнем......... 58

3.2.1 «Парадокс» поршня....................... 58

3.2.2 Взаимодействие двух фронтов пламени при релаксационном распространении в трубе........... 70

4. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫМ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ

1ШАМЕНИ В УЗКИХ КАНАЛАХ..................... 77

4.1 Влияние диффузионно-тепловой и гидродинамической неустойчивости............................. 77

4.2 Механизмы и модели взаимодействия

двух фронтов пламени......................... 80

4.3 Модель «парадокса» движения поршня, возможность технических приложений....................... 83

4.4 Эффекты неодномерности течения газа............... 88

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................ 98

ЛИТЕРАТУРА................................ 100

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Диффузионно-тепловые и гидродинамические явления, сопровождающие релаксационное распространение фронта пламени в трубах, определяют также характерные закономерности изменения физических параметров в других задачах внутренней баллистики. Перегородки, подвижные стенки в шахтах и туннелях, поршни в камерах внутреннего сгорания и т.п., являются элементами колебательной системы. Они создают характерные гидродинамические ситуации, при которых возникают колебания продуктов сгорания и фронта пламени. Иногда образуется положительная обратная связь между колебаниями давления и скорости горения, управляющая механическим движением элементов камер сгорания, гидродинамикой пламени и неустойчивостью горения.

Использование положительной обратной связи представляет собой значительный ресурс для повышения экономичности многих энергетических установок и безопасности при их эксплуатации.

Скорость тепловыделения и полнота сгорания газовоздушной смеси в релаксационной (циклической) камере сгорания зависят от структуры фронта пламени. Возможным методом управления временем сгорания является одновременное воспламенение горючей смеси в нескольких пространственно разделенных точках камеры сгорания. Такой метод представляется оправданным для двигателей внутреннего сгорания, в которых значительная степень сжатия достигается за счет уменьшения рабочего хода поршня при увеличении диаметра цилиндра. Камера сгорания в момент воспламенения горючей смеси представляет собой плоский канал, расстояние между двумя стенками которого не постоянно из-за движения поршня. Закономерности распространения фронта пламени за поршнем и взаимодействие нескольких фронтов пламени в подобной гидродинамической ситуации не изучены.

Другим примером актуальных технических приложений исследований релаксационного горения являются гидродинамические явления, сопровож-

дающие пожары в шахтах, туннелях и производственных помещениях. В магистральных газопроводах и компрессорах высокого давления при нештатных ситуациях часто возникают релаксационные колебания, называемые «помпажом». Помпаж приводит к разрушению силовых агрегатов. Выработка предложений по изменению формы и размеров каналов, при которых их амплитудно-частотные характеристики позволят подавлять фронт пламени, будет способствовать повышению пожарной безопасности. Этим объясняется актуальность и практическая важность исследований релаксационного распространения пламени в каналах.

Широко известный эффект, сопровождающий релаксационное горение - формирование «тюльпана», может при определенных обстоятельствах проявиться в новых формах. Возможность обнаружения новых гидродинамических и диффузионно-тепловых эффектов при релаксационном горении газовой смеси в канале обусловлена движением стенок канала и скоростью распространения пламени. В известной степени она прогнозируется с учетом предполагаемого изменения давления и объема камеры сгорания. Кроме того, специфическая гидродинамическая ситуация, связанная с неодномерностью течения, порождается при распространении пламени в плоских, узких каналах, и в цилиндрических трубах большого диаметра.

Закономерности релаксационного распространения фронта пламени в каналах в настоящее время в основном были посвящены исследованию тюльпапообразного пламени. До настоящего времени экспериментальных исследований в этом направлении проведено недостаточно для понимания физических механизмов, управляющих формой фронта пламени и переходом к автоколебаниям горения. В частности, данные о влиянии геометрии канала и теплофизических свойств горючей смеси в развитии неустойчивости горения и процессов переноса в научной литературе ограничены. В этой связи исследование релаксационного распространения фронта пламени является актуальной научной задачей для описания влияния

гидродинамических, тепловых и диффузионных процессов на закономерности релаксационного горения газовых смесей.

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном определении условий, при которых релаксационное распространение фронта пламени в канале является причиной проявления новых диффузионно-тепловых и гидродинамических эффектов, влияющих на скорость сгорания смеси и устойчивость автоколебательного горения, получении новых сведений о влиянии одновременного сочетания разных физических параметров, определяющих многообразие воздействий на исследуемый процесс. Для фронта пламени, распространяющегося по горючей газовой смеси в канале, такими параметрами являются: форма и размеры канала, число и расположение подвижных элементов камеры сгорания, скорость и ускорение газа и фронта пламени, химический состав, теплофизические свойства горючей смеси и др. Ожидаемыми признаками достижения эффекта являются: потеря устойчивости фронта пламени, приобретение новых форм его поверхности, изменение скорости распространения, возбуждение колебаний давления, температуры и, соответственно, фронта пламени и подвижных элементов камеры сгорания.

Достижение указанной цели требует решения ряда научных задач, среди которых:

- разработка экспериментальной установки и методики комплексного изучения гидродинамических и диффузионно-тепловых явлений, происходящих при распространении газовоздушного пламени в плоских и цилиндрических каналах;

- разработка системы и методов визуализации течений в пламени, расчета температурных и концентрационных полей;

- определение областей стационарного и колебательного распространения фронта пламени, проявления гидродинамических и диффузионно-тепловых эффектов;

- исследование закономерностей изменения кинематики распространения фронта пламени в зависимости от изменения размеров канала, его геометрической формы и состава газовой смеси;

- изучение возможности образования новых форм «тюльпана»;

- исследование закономерностей взаимодействия двух фронтов пламени, распространяющихся навстречу друг другу,

- определение роли внешних массовых сил - сил тяжести, акустических и релаксационных колебаний столба газа в канале;

- экспериментальное изучение закономерностей распространения фронта пропано-воздушного пламени за поршнем в трубе от ее закрытого конца;

- экспериментальное изучение закономерностей распространения фронта пропано-воздушного пламени между двумя поршнями;

- экспериментальное изучение влияния расположения источников зажигания на закономерности распространения фронта пламени и поршня;

- моделирование различных гидродинамических ситуаций, влияющих на распространение фронта пламени в трубе за поршнем;

- выработка управляющих физических механизмов релаксационного горения при взаимодействии фронта пламени с поршнем и при взаимодействии двух фронтов пламени.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые: 1. Предложен новый экспериментальный метод моделирования распространения фронта пламени по пропано-воздушной смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что коэффициент заполнения канала горючей газовой смесыо изменяется в широких пределах. Кроме того, используется зажигание горючей смеси в одной или нескольких точках объема камеры сгорания, в том числе и на поверхности поршня. Используется метод временной задержки воспламенения горючей смеси в разных точках камеры сгорания.

2. I Грсдложсны оригинальные экспериментальные методы диагностики структуры фронта пламени и измерения полей скорости и температуры при формировании «тюльпана» и взаимодействии фронта пламени и поршня: а) метод цифровой фотометрии исследования температурного и концентрационного полей пламени; б) метод цифровой обработки изображений для изучения динамики возмущений на поверхности фронта пламени; в) метод визуализации фронта пламени через прозрачное дно поршня.

3. Получены новые экспериментальные данные о форме и скорости распространения фронта газовоздушного пламени в модельной камере внутреннего сгорания. Показано, что влияние поршня на устойчивость и структуру фронта пламени опосредовано через амплитуду и частоту инерционных и акустических колебаний газа. Обнаружено, что колебания поршня и фронта пламени происходят с запаздыванием по фазе, максимальное значение которой равно четверти периода колебаний.

4. Обнаружено явление «парадокса» поршня, заключающееся в движении поршня навстречу фронту пламени. Показано, что формирование «тюльпанообразного» пламени и «парадокс» поршня - взаимосвязанные явления, наблюдаемые при Рг<10, 1500<Ке<2250.

6. Обнаружен эффект проникновения одного фронта пламени через другой. Предложен физический механизм показывающий, что результат взаимодействия фронтов пламени связан с перестройкой течения и вихревого поля скоростей вблизи каждого из фронтов пламени.

7. Найдены закономерности распространения фронта пламени между двумя поршнями и между поршнем и закрытым концом трубы. Они

получены в виде зависимостей координат и ускорения фронта пламени и поршня от времени при различных условиях воспламенения.

На защиту выносятся:

3. Экспериментальные результаты, подтверждающие: а) влияние коэффициента заполнения канала горючей смесыо, длины канала и скорости распространения фронта пламени на границы возбуждения релаксационных колебаний; б) влияние концентрации горючей компоненты в составе горючей смеси, диаметра капала и амплитуды релаксационных колебаний на образование новых форм «тюльпана»; в) влияние сил тяжести на структуру фронта пламени при релаксационных колебаниях; г) влияние собственной частоты релаксационных колебаний столба газа в канале и скорости распространения фронта пламени на проявление эффекта - «парадокс» поршня; д) влияние местоположения и числа источников воспламенения горючей смеси на закономерности взаимодействия фронта пламени с поршнем и двух фронтов пламени друг с другом.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов, управляющих эффектами изменения структуры поверхности пламени, и характером взаимодействия фронта пламени с поршнем, согласно которым: а) форма «тюльпана» определяется временем диффузии недостающей компоненты смеси в осевом и радиальном направлениях, которое определяется амплитудой и периодом релаксационных колебаний; б) причиной «парадокса» поршня, заключающегося в движении поршня навстречу фронту пламени, является сдвиг фаз колебаний фронта пламени и поршня; в) результат взаимодействия двух фронтов пламени друг с другом определяется полем скоростей, формирующимся под влиянием кривизны фронта пламени.

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обнаруженные закономерности релаксационного распространения фронта пламени в каналах и сопутствующие ему физические и гидродинамические эффекты дополняют представления о возможных причинах, условиях и формах проявления потери устойчивости фронта пламени, изменения скорости и полноты сгорания горючей смеси в открытых каналах и камерах внутреннего сгорания.

2. Полученные количественные данные, описывающие критические условия гидродинамики пламени, могут быть использованы для повышения к.п.д. двигателей внутреннего сгорания, разработки технологий внутрипластового горения в нефтегазовом комплексе, выработки новых мер безопасности при проведении работ в шахтах, туннелях и производственных помещениях.

4. Диссертационная работа выполнялась на кафедре экспериментальной физики государственного бюджетного образовательного учреждения «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры» (2009-2013 г.г.). 1 [редложенные физические механизмы релаксационного горения в каналах и методы диагностики процессов горения и теплообмена применялись в экспериментальных исследованиях, выполнявшихся по госбюджетной тематике кафедры экспериментальной физики ГБОУ СурГУ и в рамках учебного процесса. Выполнение работы поддержано грантом Губернатора ХМАО-Югры (2010 г.).

Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-17J, докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

- научных семинарах лаборатории теплофизических методов исследования кафедры экспериментальной физики ГБОУ СурГУ;

- XI и XII Окружных конференциях молодых ученых «Наука и Инновации XXI века» (Сургут, 2010-2011 г.г.);

- Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань, 2011);

- VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Б. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2012);

- XVI международной конференции по методам аэрофизических исследований (Казань-Новосибирск, 2012);

- XII Международной научной конференции «Интеллект и наука» (Железпогорск, 2012);

- IX Всероссийской научной конференции им. Ю.И. Неймарка «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 2012);

- IX Международной конференции по неравновесным процессам в с�