Неустойчивое распространение пламени в плоском узком канале

Смирнова, Ирина Викторовна

Неустойчивое распространение пламени в плоском узком канале тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Смирнова, Ирина Викторовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Сургут МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Неустойчивое распространение пламени в плоском узком канале»

Автореферат диссертации на тему "Неустойчивое распространение пламени в плоском узком канале"

На правах рукописи

Смирнова Ирина Викторовна

НЕУСТОЙЧИВОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ В ПЛОСКОМ УЗКОМ КАНАЛЕ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

15!;: :; гск

Томск-2014

005548323

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:

Лобода Егор Леонидович, доктор физико-математических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск, кафедра физической и вычислительной механики, доцент

Якуш Сергей Евгеньевич, доктор физико-математических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г. Москва, лаборатория термогазодинамики и горения, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Казань

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: htф7/\v^v^v.tsarlVcontent/news/amolш<^ment_of_the_diss^rions_in_the_tsu.php

Автореферат разослан « 23 » апреля 2014 г.

Христенко Юрий Федорович

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Распространение фронта пламени в узких каналах связано со сложными нелинейными явлениями передачи тепла и массы во фронте горения, до конца не изученными до настоящего времени. Исследование этих явлений продиктовано необходимостью получения новых сведений для понимания механизмов и кинетики фронтальных химических реакций, выработки критериев устойчивости горения. Одним из физических эффектов, сопровождающих распространение фронта пламени в узком канале, является распад фронта пламени и переход к спиновому режиму.

Явление распада целостного фронта пламени на отдельные фрагменты является физическим эффектом, вызываемым влиянием множества внешних факторов. Среди них - геометрия камеры сгорания, температура и состав горючей смеси и др. Получение новых сведений о влиянии гидродинамических и теплофизических эффектов на устойчивость фронта пламени позволяет понять суть физических механизмов, управляющих распространением фронта пламени в узком канале.

Специфическая гидродинамическая ситуация порождается при распространении пламени в узких каналах, в которых расстояние между одной парой стенок по порядку величины сравнимо с шириной тепловой зоны пламени, а расстояние между другой парой стенок во много раз больше. В этом случае течение газа становится почти двумерным. Изменение преимущественных направлений передачи тепла и массы приводит к формированию ядра спина и распаду фронта пламени. Вихревое течение, генерируемое фронтом пламени в узком канале, приводит к эффекту сворачивания фронта пламени в винтовую поверхность, что позволяет получить дополнительную информацию о вихревом механизме порождения и эволюции случайных возмущений фронта пламени.

Научные публикации последних лет говорят о том, что гидродинамика фронта пламени в узких каналах изучена недостаточно. Экспериментальных исследований распространения фронта пламени в покоящейся газовой смеси, вводимой в узкий канал, не проводили. Известных экспериментальных данных недостаточно для понимания физических механизмов, управляющих распадом фронта пламени и переходом к спиновому режиму распространения.

В промышленно развитых странах значительный интерес проявляется к разработке микрокамер сгорания. Уменьшение расстояний между стенками камеры сгорания в научной литературе рассматривается как перспективный метод повышения коэффициента полезного

действия энергетической установки. Прикладное значение спинового горения обусловлено повышением интенсивности теплообмена между фронтом пламени и стенками канала и изменением кинетики химических реакций. Феномен спинового фронта пламени может быть использован для управления скоростью теплообмена в камерах сгорания, разработке новых систем зажигания в двигателях внутреннего сгорания, для разработки методов управления скоростью и устойчивостью горения и оценки пожарной опасности в технологических процессах и устройствах.

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном определении условий сохранения целостного фронта пламени, распространяющегося в узком канале по покоящейся пропано-воздушной смеси, получении новых сведений о гидродинамических и теплофизи-ческих эффектах, происходящих под одновременным влиянием различных параметров, определяющих многообразие воздействий на фронт пламени. Для фронта пламени, распространяющегося по покоящейся горючей газовой смеси в канале, такими параметрами являются: форма и размеры канала, скорость и ускорение фронта пламени, преграды в канале, концентрация горючей компоненты в смеси и т.д. Видимыми признаками проявления физических эффектов являются потеря его устойчивости, изменение формы, скорости горения, возбуждение колебаний давления и температуры в потоке.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Предложен новый экспериментальный метод осуществления распада целостного фронта газовоздушного пламени и перехода к спиновому режиму распространения, заключающийся в том, что используется центральное воспламенение неподвижной горючей смеси, заполняющей открытую узкую щель.

2. Предложены оригинальные экспериментальные методы диагностики структуры фронта пламени:

- метод цифровой фотометрии для качественной оценки изменения температурного и концентрационного полей пламени;

- метод сканирующего лазерного луча для измерения распределения температуры во фронте пламени при распространении в щели и коэффициента теплоотдачи из зоны горения в стенки камеры сгорания;

- метод цифровой обработки изображений для изучения эволюции возмущений на поверхности фронта пламени.

3. Экспериментально определена область существования спинового фронта пламени в зависимости от безразмерных координат, чисел Рейнольдса, Льюиса и Пекле. Подтверждена гипотеза о влиянии ин-

тенсивности конвективного теплообмена между стенками канала и фронтом пламени на распад фронта пламени.

4. Показано, что изменением определяющих физических параметров эксперимента: шириной щели и составом горючей смеси можно управлять различными режимами спинового горения, которые отличаются характерными размерами, скоростью вращения и «скручивания» фронта пламени, образованием десятков мелких очагов горения.

5. Обнаружено уменьшение скорости распространения пламени в 2ч-3 раза при переходе к спиновому режиму, обусловленное увеличением теплового потока из зоны пламени к стенкам щели примерно на 20%.

6. Показано, что выбор преимущественных направлений распространения фронта пламени определяется локальным изменением температуры и концентрации компонент горючей смеси вблизи фронта пламени.

7. Обнаружен эффект «дифракции» фронта пламени на отверстии в преграде, моделирующий механизм формирования ядра спина.

8. Разработан физический механизм формирования спина из возмущения фронта пламени, заключающийся в изменении скорости теплоотдачи в стенки канала. Показано, что формирование ядра спина происходит при уменьшении расстояния между стенками щели и сопровождается уменьшением температуры в ведущей точке фронта пламени.

На защиту выносятся:

1. Разработка нового подхода для осуществления самопроизвольного перехода фронта пламени, распространяющегося по покоящейся горючей газовой смеси, к спиновому режиму распространения в узкой щели.

2. Комплексная методика экспериментального исследования закономерностей формирования спинового фронта пламени, позволившая визуализировать изменение структуры фронта при потере устойчивости, произвести оценку изменения полей температур, измерить величину тепловых потоков из зоны горения на поверхность камеры сгорания, обнаружить физические явления, приводящие к изменению интенсивности теплообмена и потере целостности симметричного фронта пламени.

3. Экспериментальные результаты, подтверждающие:

- влияние расстояния между стенками щели и скорости распространения пламени на границы устойчивости симметричного фронта при переходе к спиновому горению;

- влияние сил тяжести на скорость, характерные размеры спинового фронта пламени, количество очагов горения, формирующихся после погасания спинового фронта пламени;

- связь эффекта «дифракции» пламени на отверстии в преграде с механизмом формирования спина, определяемая длиной волны возмущений на поверхности фронта пламени;

- главную роль локальных изменений интенсивности теплопередачи из пламени в стенки камеры сгорания в выборе преимущественных направлений передачи тепла и вещества в механизме формирования спина.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемого физического механизма формирования спина. Распад фронта пламени вызван: а) теплоотводом из ведущей точки фронта в стенки камеры сгорания и рассеянием теплового потока, вызванным растяжением фронта; б) диффузионным расслоением горючей смеси в направлении, касательном к фронту пламени; в) формированием мелкомасштабных возмущений на фронте 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 формирования спина, сопутствующие ему физические и гидродинамические эффекты дополняют представления о возможных причинах, условиях и формах проявления потери устойчивости симметричного фронта пламени.

2. Полученные количественные данные, описывающие критические условия гидродинамики пламени и теплообмена в узкой щели, могут быть использованы для разработки горелочных и теплообмен-ных устройств с более высокими эксплуатационными характеристиками, а также для разработки нового типа «мембранных» двигателей внутреннего сгорания, отличающихся высоким коэффициентом сжатия.

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

Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-10], докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории теплофизических методов исследования кафедры экспериментальной физики ГБОУ «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры», Всероссийской научной конференции с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф (Томск, 2010 г.), Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань, 2011), X Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 20011 г.), XVI международной конференции по методам аэрофизических исследований (Казань-Новосибирск, 2012), VIII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013).

Количество основных работ по диссертации - 10, из них 5 опубликованы в журналах, включенных в список изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 94 наименований. Общий объём составляет 126 страниц, включая 37 рисунков.

Содержание работы.

В первой главе диссертации проводится анализ научных работ, посвященных исследованиям диффузионно-тепловой и гидродинамической неустойчивости фронта пламени, распространяющегося по заранее перемешанной газовой смеси. Неустойчивость рассматривается как причина потери целостности фронта пламени.

Из теоретических представлений следует, что проявление гидродинамической и диффузионно-тепловой неустойчивости пламени связано с размерами канала. Одной из причин распада фронта пламени называют потерю устойчивости радиального течения газа. В последних работах ряда авторов показано, что растяжение фронта пламени является еще одним эффектом, приводящим к разрыву фронта пламени и выбору преимущественных направлений распространения его отдельными частями.

В настоящее время известны экспериментальные работы, в которых спиновый режим распространения пламени реализуется при движении газовой смеси с достаточно большой скоростью. Данных о зако-

номерностях самопроизвольного формирования и распространения спинового фронта пламени в неподвижной газовой среде в научной литературе нет. Не разработаны методики эксперимента, реализующие спиновое распространение волны горения в покоящемся газе. Не вполне ясна роль физических процессов, сопровождающих переход от кругового фронта пламени к спиновому. Нет данных об условиях, определяющих спиновое р аспространение фронта пламени. Остается актуальной проблема интенсификации процессов переноса и теплообмена в узких каналах.

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

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

Основными являются четыре объекта исследования. Первый -круговой фронт пламени, распространяющийся от точки воспламенения однородной газовой смеси в центре узкой открытой щели. Второй -фронт пламени, распространяющийся по стратифицированной пропа-но-воздушной смеси в узкой трубе прямоугольного поперечного сечения. Третий — фронт пламени, проникающий через отверстие в преграде, установленной в узком канале. Четвертый - фронт пламени, распространяющийся в узком канале переменного поперечного сечения.

Выбор объектов обусловлен несколькими причинами. Первый объект реализует метод формирования спинового фронта пламени в покоящейся газовой горючей смеси. Распространение фронта пламени по границе стратифицированной пропано-воздушной смеси моделирует влияние изменения концентрации горючей компоненты смеси вдоль фронта пламени на его распад. Проникновение фронта пламени через отверстие в преграде позволяет получить информацию о влиянии мелкомасштабных возмущений на распад, деформацию и перестройку фронта пламени. Распространение фронта пламени в плоском узком канале, в котором изменяется расстояние между двумя противоположными стенками, моделирует распад, деформацию и перестройку фронта пламени под влиянием его ускорения и растяжения.

Оценки характерных размеров камеры сгорания позволили создать экспериментальную установку для изучения закономерностей распространения фронта пламени в открытой щели по пропано-воздушным смесям.

Открытая щель, образована двумя плоскими стеклянными пластинами. В опытах использовали пластины круглой и квадратной формы. Одна из пластин оставалась свободной, а через отверстие в центре

другой пластины подавали смесь пропана с воздухом. Штуцер, ввинчиваемый в отверстие, соединялся со шлангом, по которому поступал газ. На выходе из шланга устанавливали пламегаситель. Пламегаситель выполнял также роль газового демпфера, устраняющего колебания давления в шланге при нестационарном распространении пламени.

Расход газовой смеси при заполнении щели контролировали расходомером-счетчиком газа РГС-1. Объем газовой смеси, прокачиваемой через щель перед зажиганием, превышал объем щелевого пространства в 10-И 5 раз. Для приготовления горючей газовой смеси необходимой концентрации с точностью до 0,1 % использовали газометр вытеснения. Концентрацию пропана в смеси при проведении экспериментов изменяли от 2,5% до 9%.

Диаметр пластин равнялся 0,60 м. Щель могла принимать горизонтальное или вертикальное положение. Для создания щелевого зазора между пластинами зажимали три калиброванных по толщине шайбы, располагаемые на равном расстоянии по краям пластин. Толщину шайб изменяли от 2-Ю"3 м до 15-Ю"3 м. Изменение зазора между пластинами, вызванное неоднородностью толщины стеклянных пластин, контролировали по положению интерференционных полос при интерференции света в тонком воздушном слое между пластинами. Изменение зазора между пластинами, обусловленное неоднородностью толщины стекол и провисанием верхней пластины, когда вся установка располагалась горизонтально, не превышало 0,5-10"4 м.

Воспламенение пропано-воздушной смеси производили от электрической искры, образующейся при высоковольтном разряде между электродами. Проволочные электроды размещали в выходном сечении отверстия, через которое вводили газовую смесь так, что концы электродов не выходили за боковые стенки отверстия. Остальную часть электродов тщательно зашлифовывали заподлицо с поверхностью пластины.

Спустя 5-^8 с после заполнения щели газом, инерционные течения исчезали, после чего газ воспламеняли. Воспламенение производили при различных расстояниях между концами электродов, а также при изменении энергии электрического разряда. Фотографирование и видеосъемку процесса распространения фронта пламени производили со стороны свободной пластины скоростной цифровой видеокамерой AOS Technologies AG X-PRI и цифровым фотоаппаратом Canon EOS 30D. Скорость видеосъемки изменяли от 60 до 300 кадров в секунду в зависимости от скорости распространения фронта пламени.

Для измерения скорости теплоотдачи из фронта пламени в стенки канала был разработан сканирующий лазерный измеритель скорости

потока и коэффициента теплоотдачи (СЛИ). Принцип действия СЛИ основан на зависимости угла отклонения луча лазера от поперечного градиента показателя преломления света и зависимости показателя преломления света от плотности газа (температуры). Для реализации идеи оптический лазер устанавливали так, чтобы луч лазера оставался параллельным стенкам щели. Предусматривалась возможность перемещения луча лазера в направлении, перпендикулярном оси трубы. Это давало возможность измерить градиент температуры в различных сечениях трубы. Далее устанавливали связь угла отклонения луча лазера в сторону прозрачной стенки щели со скоростью продуктов сгорания и градиентом температуры у стенки. Скорость движения луча от центра стенки к ее краю определяется скоростью теплообмена между фронтом пламени и стенками щели.

Движение луча фиксировали цифровой видеокамерой. Тарировку СЛИ проводили при установившемся градиенте температур между нижней и верхней стенками измерительной ячейки термоанемометром TAMM 20.

В третьей главе представлены экспериментальные результаты исследования закономерностей распространения фронта пламени в плоских узких каналах.

Ширина щели и концентрация горючего газа в смеси являются определяющими физическими параметрами, управляющими устойчивостью фронта пламени. Ширину открытой щели изменяли от 210"3 м до 15-Ю"3 м. В случае если ширина щели велика по сравнению с тепловой шириной зоны пламени, скорость распространения фронта пламени постоянна, а ячеистое пламя можно получить только при горении смесей с недостатком воздуха. В смесях с избытком воздуха фронт пламени - гладкий и имеет цилиндрическую симметрию. Уменьшение ширины щели приводит к тому, что, начиная с ее некоторого критического значения, скорость распространения пламени значительно уменьшается, а поверхность фронта теряет устойчивость как при горении смесей с недостатком, так и с избытком воздуха. Зависимости скорости распространения пропано-воздушного пламени от ширины щели для горючих смесей с различным содержанием пропана показаны на рис. 1. Из графиков видно, что чувствительность пламени к изменению скорости распространения при изменении ширины канала зависит от состава горючей смеси.

й, мм

Рис. 1.

Зависимости скорости распространения пламени от ширины щели: □ - смесь «4,5% С3Н8 + воздух», о - смесь «5,0% С3Н8 + воздух», Д - смесь «5,5% С3Н8 + воздух».

Типичные фрагменты видеофильма, иллюстрирующие распространение пламени в открытой горизонтальной щели шириной, меньше критической, представлены на рис.2. Особенностью ячеистой структуры является укладка трех-четырех мелкомасштабных возмущений на возмущении с большей длиной волны - «модуляции» возмущений.

Рис. 2.

Эволюция возмущений на поверхности пламени. Смесь «3,0% С3Н8 + воздух». Ширина щели равна 2,7 мм.

Динамику расширения фронта пламени после воспламенения горючей смеси наблюдали, изменяя ширину щели и состав смеси. Исследовали форму первоначально цилиндрического фронта пламени и измеряли скорость его распространения в открытом зазоре между пластинами. Изменяемыми параметрами являлись: концентрация пропана в смеси с воздухом и величина зазора между пластинами /.

Видеосъемка фронта пламени в вертикальной и горизонтальной плоскости при изменении ширины щели в диапазоне /=210"3-И5 10'3 м позволила установить, что при />8-10"3 м расширяющийся фронт пламени при распространении в смесях пропана с избытком воздуха представляет собой почти не искаженную цилиндрическую поверхность. Уменьшение ширины щели до величины / < 5-10"3 м приводит к искривлению фронта пламени сразу же после воспламенения газовой смеси. На фронте пламени формируются периодически расположенные возмущения различной длины волны и амплитуды. Это явление наблюдается при горении смесей, как с недостатком, так и с избытком воздуха.

Рост возмущений сопровождается разрывом фронта пламени при небольших скоростях его распространения в точках, где температура пламени становится меньше температуры воспламенения. Фотографии свечения фронта пламени и его фотометрические изображения, иллюстрирующие его неустойчивость сразу после воспламенения смеси в щели шириной 3,5 10""' м, представлены на рис. 3 а-г.

а ' * V : Г Г ' • » ]0 см Ш в ... '■■ ■ . ■ ■ ' . / '■■

В ■ уувш в Ш *' • ■■•. ■

Рис. 3.

Разрыв фронта пламени после воспламенения смеси:

а-в - фотографии свечения фронта пламени, г-е — фотометрические изображения фронта пламени.

Фотометрические изображения пламени представляют собой совокупность изолиний интегральной энергетической светимости во всем диапазоне видимого света, определяемом спектральной чувствительностью цифровой камеры. С известной погрешностью изолинии энергетической светимости могут интерпретироваться как изотермы.

Из фотометрических изображений видно, что тепловая структура фронта пламени при распространении в щели после момента воспламенения газовой смеси неоднородна. В направлении, касательном к фронту пламени, появляются локальные изменения температуры. Степень понижения температуры определяется порядком величины параметра, характеризующего температурную чувствительность пламени: Е(Та-Ть)/1ЯТа2 «Ю-ЧО-2. Здесь Та - адиабатическая температура горения. На рис. 3 е видно, что разрыв фронта пламени происходит в области, соответствующей пониженной температуре. Мелкие возмущения на фронте пламени погибают, поэтому происходит отбор тех из них, амплитуда которых нарастает.

В диапазоне значений / = 4-Ю"3 5-Ю"3 м наблюдали распад цилиндрического фронта пламени на два очага, которые двигались по спиралям. Типичные фрагменты из кинофильма, иллюстрирующие вращательное движение очагов пламени в плоской щели, представлены на рис. 4.

0,0з сИШМВ 0 07 сИНИ Л 0.13 с 1

.................. > .Д.. :\у. ; • ¡а':. Л", >-1 . ■ '10 см Ж'' € • . ' у ч

од? сШНВШИ 0,20 сММИЮИМВ 0,27 с

\ \ : : . V' V. ;; \ . ■ . ' к, ■

Рис. 4.

Формирование двух очагов горения (ядер спина) при разрыве кругового фронта пламени

Формирование ядер спина возможно только при горении смесей с недостатком воздуха. Форма траектории постоянна для данных условий опыта. Изменяя состав смеси и величину зазора между стенками

камеры сгорания, можно формировать различные, серповидные, расходящиеся от очага пламени «усы».

Постоянство радиальной и угловой скоростей ядра спина однозначно определяет траекторию его движения, являющуюся спиралью Архимеда.

Влияние изменения концентрации пропана в пропано-воздушной смеси на структуру пламени, распространяющегося вдоль слоя смешения пропана с воздухом, в прямоугольной трубе можно увидеть на фотографиях фронта пламени и его фотометрическом изображении, представленных на рис. 5.

Рис. 5.

Фотография пламени и его фотометрическое изображение на границе стратифицированного слоя

Верхний край фронта либо опережает нижний край, либо отстает от него. Возникающие колебания связаны с тем, что нормальная скорость фронта на каждом отдельном элементе поверхности различна, поскольку определяется локальным составом горючей смеси. Колебания проявляются в изменении поперечного размера и формы фронта пламени. Частота колебаний, измеренная по кадрам из видеофильма, совпадает с частотой Вяйсяля-Брента и равна 2,0 Гц. Вихревое течение газа вблизи фронта пламени в стратифицированном слое создает флуктуации состава горючей смеси и осцилляции верхней и нижней кромок фронта пламени.

Формирование ядра спина происходит при взаимодействии двух крупных возмущений, развивающихся при потере целостности кругового фронта пламени. Для изучения явлений, сопровождающих распад фронта пламени, проводили эксперименты в открытом плоском канале с изменяющейся площадью поперечного сечения. Изменение площади поперечного сечения в силу закона сохранения массы является причиной ускорения фронта пламени, скорость растяжения поверхности пламени. Фрагменты видеофильма, представленные на рис. 6, иллюстрируют этапы распада фронта пламени на два ядра.

Рис. 6.

Распространение фронта пламени при воспламенении у конца открытого канала

Способность фронта пламени выбирать преимущественные направления распространения под влиянием внешних факторов рассматривается в данной работе, как внутреннее свойство волны горения, приводящее к ее распаду и новым режимам распространения. Скорость распространения фронта пламени и длина волны возмущения на его поверхности определяют характер взаимодействия фронта пламени со стенками канала. Типичные картины проникновения пламени через отверстие в преграде представлены на рисунках 7 и 8.

Рис. 7

Формирование турбулентной струи, после прохождения фронта пламени через отверстие в преграде

Рис. 8

Дифракция фронта пламени на отверстии в преграде

Ширина отверстия в преграде, равна 510"3м. В обоих случаях трубы по обе стороны преграды заполнены пропано-воздушной смесью с объемной концентрацией пропана в смеси, равной 8%. Из фотографий на рис. 7 видно, что на поверхности фронта пламени до встречи с преградой развиваются возмущения с длиной волны, сравнимой с шириной канала. Результатом прохождения фронта пламени через отверстие является формирование турбулентной струи. На рис. 8 длина волны возмущения по порядку величины равна ширине отверстия в преграде. Преграда предотвращает симметричное развитие двух боковых возмущений. В узких каналах (2,4-10"3м<5<3,0-10'3м) при отсутствии преград из боковых возмущений формируется спиновый фронт пламени.

гч

й ю

6.5

• • » •

°о о

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

и у, м/с Рис. 9

Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости фронта пламени • - спиновый фронт пламени; о - «круговой» фронт пламени.

Измерения угловых отклонений луча методом СЛИ позволили измерить среднюю скорость продуктов сгорания и средний градиент температуры в поперечном сечении щели. Затем вычисляли коэффициент теплоотдачи по известной эмпирической формуле для конвективного теплообмена при ламинарном течении газа: Ыи = 0,03711е0'" Рг0,4 • На рис. 9 представлены зависимости коэффициента теплоотдачи от видимой скорости фронта пламени.

При распаде кругового фронта пламени происходит кризис теплопередачи. Смена характера режима теплообмена, обусловлена увеличением градиента температуры вблизи стенки канала и формированием двух спиновых фронтов пламени.

В четвертой главе на основании полученных экспериментальных данных дается обоснование управляющих механизмов формирования ядер спина при распространении фронта пламени в покоящейся газовой горючей смеси.

Формирование спинового фронта пламени происходит при постоянной радиальной и угловой скорости, поэтому траекторией движения ведущей точки фронта пламени является спираль Архимеда. Это является следствием того, что вдоль фронта пламени развивается волновой процесс, в котором изменение температуры и концентрации смеси приводит к установлению касательной скорости распространения фронта пламени. Волновой процесс развивается под влиянием критических условий теплоотдачи из зоны пламени в стенки канала и диффузии компонент горючей смеси при искривлении фронта пламени.

Ширина щели / определяет скорость теплоотдачи. При /<5,0-10"3 м наблюдается неустойчивость кругового фронта пламени к мелкомасштабным возмущениям. Она проявляется при горении газовых смесей от нижнего до верхнего концентрационного предела воспламенения. При увеличении ширины щели до 8,0ТО"3 м наблюдается колебательная неустойчивость фронта пламени и турбулизация течения. Образование ядер спина происходит только в узком интервале скоростей распространения пламени. Он соответствует объемной концентрации пропана в смеси с воздухом 5,5 %+7,5 % и ширине щели /<3,5Т0"3 м. При объемной концентрации пропана, примерно равной 6,5 % и /<3,0-10"3 м происходит формирование спинового фронта пламени в виде отходящих от ядра спина «усов».

Во всех приведенных выше примерах определяющими и изменяемыми параметрами эксперимента являлись: видимая скорость распространения, ускорение фронта пламени, плотность, вязкость, температуропроводность газа и приведенная длина канала £ _ , где Ь и / —

продольный и поперечный размеры канала, V и 50 - объем канала и площадь поперечного сечения. Это позволяет обобщить результаты экспериментов в фазовом пространстве критериев подобия Ье, Яе, 1и 2

ре - -1-, рг = и£_ и £ . Здесь Ре и Кг - числа Пекле и Фруда. Анализ а ё1 I

результатов наблюдений позволил построить области существования спинового фронта пропано-воздушного пламени при распространении в безграничной узкой щели в зависимости от чисел Льюиса и Пекле. Число Льюиса определено через коэффициент диффузии и коэффициент температуропроводности пропана. При вычислении числа Пекле в качестве характерных параметров брали ширину щели и скорость распространения ядра спина. Результаты анализа представлены на рис. 10.

Критерий параметрического типа Ь/1 при его увеличении становится вырожденным. Это означает, что если Щ >40, то задача - двумерная, а канал представляет собой узкую щель,

Ре

Рис. 10 Области распространения пламени в узкой, открытой щели: I — неустойчивость пламени к мелкомасштабным возмущениям; II - формирование ядер спина; III -формирование «усов»; IV - колебательная неустойчивость и турбулентность.

Обобщенные результаты экспериментов в координатах чисел Ре и Ы1 для фронта пламени, распространяющегося в плоском канале с постоянной скоростью, представлены на рис. 11. Числа Пекле на оси ординат отложены в логарифмическом масштабе.

1000 100 £ ю l

0.1

О 100 200 300 400

Lfd

Рис. 11 Режимы распространения пламени в узком канале I - эффект формирования спинового фронта пламени; II - эффект «скручивания» фронта пламени;

III - область устойчивости; IV - вибрационный режим.

Из результатов работ следует, что первичной причиной формирования ядра спина медленного газовоздушного пламени является абсолютная диффузионно-тепловая неустойчивость, развивающаяся под влиянием близко расположенных друг к другу стенок щели. В узкой щели диффузионно-тепловая неустойчивость развивается не только из-за различия коэффициентов диффузии и температуропроводности недостающей компоненты смеси. Она усугубляется еще и тем, что результирующие направления диффузионного и теплового потоков не параллельны друг другу. Диффузия вещества происходит перпендикулярно поперечному сечению щели, а потеря тепла из зоны горения -перпендикулярно стенкам щели. Уменьшение ширины щели приводит к изменению соотношения между величиной теплового и диффузионного потока: теплоотдача из зоны пламени увеличивается, а диффузия недостающей компоненты газовой смеси - наоборот, уменьшается.

Среднее расстояние диффузии молекулы в симметричной задаче определяется выражением г = -j6Dt , где D - коэффициент диффузии недостающей компоненты, t = 1{/и„ ~ 10"3 10"2 с - время химического превращения в зоне горения. Подставляя D ~ ЗТО"4 м2/с, получим г = 1 • 10~3 ч- 4 • 10~3 м. Среднее расстояние, которое проходит молекула из свежей горючей смеси в зону горения, в зависимости от состава газовой смеси может быть меньше или больше критической ширины щели, при которой начинается формирование спина ядра.

Из уравнения баланса тепла критерий возникновения тепловой неустойчивости получим в виде 1гЕ-()-1У(Т„) _ ■ Здесь Е - энергия

Я7?

активации химической реакции, Т„ - температура стенки щели, X - коэффициент теплопроводности газа, Q - тепловой эффект реакции, 1У(Т) — скорость реакции горения, д: — координата в направлении, перпендикулярном стенки щели. Очевидно, что тепловая неустойчивость в наибольшей степени определяется температурой стенок и расстоянием между ними. Для вычисления характерной ширины щели /, при которой начинается неустойчивость горения вследствие потерь тепла из-за теплопроводности, подставим в выражение для критерия возникновения тепловой неустойчивости приближенные числовые значения входящих в него величин: £=4-103 Дж/моль, Q =36,6-109 Дж/мЗ, ¡¥~4-\0'4 кг/м3-с, Я =8,3 Дж/(моль-К), 7^=1200 К. Тогда /= 1,3-10'3 м. Полученное значение с относительной погрешностью, равной 5 %, согласуется с полученными экспериментальными данными. Оно соответствует ровно половине ширины щели, при которой наблюдали формирование ядра спина.

Дифракция пламени на малом отверстии рассматривается в данной работе как явление, подтверждающее механизм выбора преимущественных направлений возмущениями «выжившими» при распаде целостного, кругового фронта пламени. Для определения областей наблюдения эффектов дифракции пламени на отверстии в преграде, взаимодействия нескольких фронтов пламени, ускорения и разрыва фронта в канале переменного сечения дополнительно требуется привлечение критерия подобия Струхаля $1г = —^ > гДе характерное время

может определяться либо собственной частотой канала:

[ . _ \ЬУо , либо скоростью теплообмена: ( - срР^ . Здесь ср —

<о ит\лЯ2 о£0

удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, а - коэффициент теплоотдачи. Очевидно, что условия получения новых физических эффектов не ограничены областями значений параметров, которые представлены на рис. 11.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы: 1. Разработаны методика комплексного изучения гидродинамических и теплофизических явлений, происходящих при распространении фронта пламени в узком канале и стратифицированной пропано-воздушной смеси, созданы экспериментальные установки для проведения исследований.

2. Апробирован оригинальный метод цифровой обработки плоских изображений фронта пламени.

3. Разработан и апробирован оригинальный метод сканирующего лазерного луча для измерения коэффициента теплоотдачи при распространении пламени в узкой щели в диапазоне видимых скоростей фронта пламени от 0,10 м/с до 1,5 м/с.

4. Получены области устойчивости фронта пламени в узкой щели при изменении безразмерных критериев Пекле и Льюиса. Выделены области: неустойчивости пламени к мелкомасштабным возмущениям (1,03 < Ье < 1,10 и Ье < 0,88 при Ре<1200), формирования ядер спина (0,98 <Ье < 1,03 и 0,88 <Ье < 0,93 при Ре<1150), формирования «усов» (0,93 <Ье < 0,98 при Ре<900), колебательной неустойчивости и турбулизации (Ре>1200).

5. Найдены режимы распространения фронта пламени в координатах чисел Пекле и приведенной длины канала. Выделены области: спинового фронта пламени (Ре<10, 200<М<300), «скручивания» фронта (Ре<150, £//<250), устойчивости (Ре<900, М<200), вибрационного распространения (Ре<1200,1У1< 120).

6. Показано, что управляющими физическими механизмами формирования спинового фронта пламени являются изменение скорости диффузии и теплоотдачи. Критические условия теплообмена пламени со стенками канала связаны с изменением формы и размеров каналов. В плоских каналах при Ы1> 40, / <, 2-10 3 м кризис теплоотдачи связан с уменьшением расстояния между стенками.

7. Обнаруженные эффект дифракции фронта пламени на отверстии в преграде и эффект «скручивания» фронта пламени в винтовую поверхность сопровождают формирование спинового фронта пламени при распространении в узком канале.

8. Исследовано изменение скорости теплообмена пламени со стенками канала при распаде кругового фронта. Показано, что коэффициент теплоотдачи при формировании спинового фронта пламени возрастает более, чем на 20 %. Дано физическое объяснение полученного эффекта.

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. Смирнова, И. В. Метод муаров в интерференционном изучении структуры вихревого пламени / И. В. Смирнова, В. П. Самсонов // Письма в Журнал технической физики. - 2005. - Т. 31, вып. 4. - С. 4953. -0,30/ 0,20 пл.

2. Смирнова, И. В. Формирование спинового фронта газовоздушного пламени / И.В. Смирнова, М. М. Алексеев, В. П. Самсонов // Письма в Журнал технической физики. - 2011. - Т. 37, вып. 7. - С. 80-87.-0,50/0,30 п.л.

3. Смирнова, И. В. Механизм формирования спинового фронта пламени / И. В. Смирнова, М. М. Алексеев, В. П. Самсонов // Успехи физических наук. - 2011. - Т. 181, № 9. - С. 965-972. - 1,30 / 0,70 пл.

4. Смирнова, И. В. Закономерности распространения спинового фронта пламени в газовой смеси / И. В. Смирнова, М. М. Алексеев // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2011. — № 4 (3). - С. 1095-1097. - 0,30 / 0,20 п.л.

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

Публикации в других научных изданиях:

6. Смирнова, И. В. Условия формирования спинового газовоздушного пламени / И. В. Смирнова, М. М. Алексеев, В. П. Самсонов // Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф: сборник научных трудов всероссийской конференции. - Томск, 2010. - С. 7-8. - 0,15 / 0,10 пл.

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

8. Смирнова, И. В. Визуализация вихревого течения во фронте пламени / И. В. Смирнова, М. М. Алексеев, О. Ю. Семенов // XVI международная конференция по методам аэрофизических исследований:

сборник научных трудов. - Казань-Новосибирск, 2012. - С. 102-108. -0,25 / 0,20 п.л.

9. Смирнова, И. В. Условия формирования спинового фронта пламени при распространении в узкой щели / И. В. Смирнова, М. М. Алексеев, О. Ю. Семенов // XVI международной конференции по методам аэрофизических исследований: сборник научных трудов. -Казань-Новосибирск, 2012. - С. 45-49. - 0,25 / 0,20 п.л.

10. Смирнова, И. В. 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. 97-102. -0,25 / 0,15 п.л.

Смирнова Ирина Викторовна

НЕУСТОЙЧИВОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ В ПЛОСКОМ УЗКОМ КАНАЛЕ

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 № 35.

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, Смирнова, Ирина Викторовна, Сургут

I Ъсударственпое бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет ХМЛО-Югры»

На правах рукописи

04201460104 Г 1

, 1 / V

Смирнова Ирина Викторовна

НЕУСТОЙЧИВОЕ РАСПРОСТРАНЕ11ИЕ ПЛАМЕНИ В ПЛОСКОМ УЗКОМ КАНАЛЕ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

11аучный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Самсонов В.П.

Сургут-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

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

1. ТЕПЛО- МАССОПЕРЕЫОС И ГИДРОДИНАМИКА

ПЛАМЕНИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ В УЗКОМ КАНАЛЕ .... 12

1.1 Гидродинамическая и диффузионно-тепловая

неустойчивость пламени....................... 13

1.2 Сииновое распространение волн горения.............. 23

1.3 Программа исследований...................... 32

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА..................... 35

2.1 Экспериментальные установки и методика

проведения экспериментов...................... 36

2.2 Объекты исследования, методы измерений............. 45

2.2.1 Методы цифровой обработки плоских изображений

фронта пламени........................ 48

2.2.2 Измерение коэффициента теплоотдачи методом сканирующего лазерного луча................. 52

2.2.3 Моделирование стратифицированного слоя

в газовой смеси......................... 58

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

В УЗКОМ КАНАЛЕ........................... 62

3.1 Влияние геометрии, размеров и расположения канала па формирование спинового фронта пламени............. 62

3.2 Влияние определяющих физических параметров на

формирование спинового фронта пламени............. 70

3.2.1 Влияние неоднородности горючей смеси

в стратифицированном слое газа............... 79

Стр.

3.2.2 Роль нестационарного профиля скоростей

в канале типа «диффузор-конфузор»............................83

3.2.3 Эффект «скручивания» фронта пламени........................86

3.2.4 Дифракция фронта пламени на щели в преграде..............90

3.2.5 Теплообмен при формировании спинового

фронта пламени..................................................93

4. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО

ФОРМИРОВАНИЯ СПИНОВОГО ФРОНТА ПЛАМЕНИ..............96

4.1 Роль ведущей точки при формировании спинового

фронта пламени........................................................96

4.2 Влияние критических условий диффузии и теплоотдачи............99

4.3 Механизмы влияния ускорений на распад стационарного

фронта пламени........................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................115

ЛИТЕРАТУРА............................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Распространение фронта пламени в узких каналах связано со сложными нелинейными явлениями передачи тепла и массы во фронте горения, которые до конца не понятны до настоящего времени. Исследование этих явлений продиктовано необходимостью получения новых сведений для понимания механизмов и кинетики фронтальных химических реакций, выработки критериев устойчивости горения. В последнее десятилетие в промышленно развитых странах значительный интерес проявляется к разработке микрокамер сгорания и микродвигателей внутреннего сгорания. Уменьшение расстояний между стенками камеры сгорания в научной литературе рассматривается как перспективный метод повышения энергосбережения и коэффициента полезного действия энергетической установки. Одним из физических эффектов, сопровождающих распространение фронта пламени в узком канале, является распад фронта пламени и переход к спиновому режиму. Прикладное значение спинового горения обусловлено повышением интенсивности теплообмена между фронтом пламени и стенками канала и изменением кинетики химических реакций.

Явление распада фронта пламени является, на первый взгляд, парадоксальным физическим эффектом, вызываемым влиянием множества внешних факторов: геометрии камеры сгорания, температуры и состава горючей смеси и др. Под парадоксами в физике вообще и механике реагирующих сред, в частности, обычно понимают несоответствие явлений, ожидаемых с теоретической точки зрения, и наблюдаемых в эксперименте. Научная ценность эффектов и парадоксов состоит в том, что они расширяют рамки устоявшихся представлений о физической сути явлений и при определенных условиях выявляют ранее ускользающие от внимания детали процесса. Это позволяет создавать более точные математические модели явлений и предсказывать направление их развития. Новые экспериментальные данные иногда могут противоречить ранее накопленному опыту. Анализ новых закономерностей

изменения определяющих параметров эксперимента позволит устранить кажущиеся противоречия. Обнаружение новых физических эффектов может быть в известной степени спрогнозировано с учетом изменения величины или типа определяющих параметров эксперимента.

Специфическая гидродинамическая ситуация порождается 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. В э том случае влияние кривизны фронта пламени приводит к новым гидродинамическим эффектам, поскольку течение газа становится преимущественно двумерным. Вихревое течение, порождаемое фронтом пламени, происходит практически только в одной плоскости, что приводит к эффекту скручивания фронта пламени в винтовую поверхность. Эффект становится очевидным в том случае, если имеется компонента скорости течения, касательная к фронту пламени. Актуальность исследования эффекта скручивания спинового фронта пламени связана с тем, что он позволяет получить дополнительную информацию о вихревом механизме порождения и эволюции случайных возмущений фронта пламени.

Закономерности распространения фронта пламени в узких каналах в настоящее время во всем мире находятся в начальной стадии изучения. До настоящего времени экспериментальных исследований в этом направлении проведено недостаточно для понимания физических механизмов, управляющих распадом фронта пламени и переходом к спиновому режиму распространения. В частности, данные о влиянии геометрии канала на распределение температуры и скорости газа во фронте пламени и его роли в развитии неустойчивости горения и процессов переноса в научной литературе ограничены. В этой связи исследование спиновых режимов распространения фронтальных химических реакций является актуальной научной задачей для понимания связи гидродинамических, тепловых и диффузионных процессов в

реагирующей среде с кинетикой химического превращения вещества. С точки зрения технических приложений феномен спинового фронта пламени может быть использован для управления скоростью теплообмена в энергосберегающих камерах сгорания и разработке новых систем зажигания в двигателях внутреннего сгорания, методов управления скоростью и устойчивостью горения, оценкой пожарной опасности в технологических процессах и устройствах.

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном определении условий сохранения или распада целостного фронта пламени, распространяющегося в узком канале по покоящейся пропано-воздуншой смеси, получении новых сведений о физических эффектах, происходящих под одновременным влиянием разных физических параметров, определяющих многообразие воздействий на фронт пламени. Для фронта пламени, распространяющегося но горючей газовой смеси в канале, такими параметрами являются: форма и размеры канала, скорость и ускорение фронта пламени, преграды в канале, распределение концентрации горючей компоненты в смеси и т.д. Видимыми признаками проявления новых физических эффектов, как правило, являются потеря его устойчивости, изменение формы, скорости горения, возбуждение колебаний давления и температуры в потоке.

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

- разработка экспериментальной установки и методики комплексного изуче-иия гидродинамических и теплофизических явлений, происходящих при распространении газовоздушного пламени в узком канале;

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

- определение областей устойчивости расходящегося фронта пламени и перехода к спиновому режиму;

- исследование закономерностей изменения кинематики распространения спинового фронта в зависимости от изменения ширины канала, его формы и состава газовой смеси;

- изучение возможности одновременного образования более двух ядер спина;

- исследование влияния препятствий на формирование ядер спина;

- определение роли внешних массовых сил - сил тяжести, акустических колебаний столба газа в микроканале и т.д.;

- исследование явления распада спинового фронта пламени, сопровождающегося образованием десятков мелких очагов горения;

- выяснение роли конкурирующих процессов теплового расширения продуктов сгорания и переноса тепла и массы в развитии неустойчивости пламени;

- выработка управляющих физических механизмов формирования спинового фронта пламени.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Предложен новый экспериментальный метод осуществления распада целостного фронта газовоздушного пламени и перехода к спиновому режиму распространения, заключающийся в том, что используется центральное зажигание неподвижной горючей смеси, заполняющей открытую узкую щель.

2. Предложены оригинальные экспериментальные методы диагностики структуры фронта пламени при потере устойчивости и измерения полей скорости и температуры при формировании спинового фронта пламени. Среди них метод цифровой фотометрии для оценки температурного и концентрационного полей прозрачного «цилиндрического» пламени, метод сканирующего лазерного луча для измерения распределения температуры в щелевом пространстве и коэффициента теплоотдачи из зоны горения в стенки щели, метод цифровой обработки изображений для изучения эволюции возмущений на поверхности фронта пламени.

3. Экспериментально определены границы области существования спинового фронта пламени в координатах чисел Рейпольдса, Лыоиса и Пекле.

Подтверждена гипотеза о влиянии интенсивности вынужденного конвективного теплообмена между стенками канала и фронтом пламени на распад фронта пламени.

4. Показано, что, изменяя определяющие физические параметры эксперимента, можно управлять различными свойствами спина, которые отличаются характерными размерами, скоростью вращения и «скручивания» фронта пламени, образованием десятков мелких очагов горения.

6. Показано, что выбор преимущественных направлений распространения фронта пламени определяется локальным изменением температуры на фронте пламени и концентрации компонент горючей смеси.

7. Обнаружено влияние препятствий на формирование ядер спина, приводящее к эффекту «дифракции» фронта пламени.

8. Разработан физический механизм формирования спинового фронта пламени, заключающийся в изменении скорости теплоотдачи из фронта пламени в стенки канала. Показано, что формирование ядра спина пламени происходит при уменьшении расстояния между стенками щели и сопровождается уменьшением температуры в ведущей точке фронта пламени.

На защиту выносятся:

1. Разработка нового подхода для осуществления самопроизвольного перехода фронта пламени к спиновому режиму распространения в узкой щели, образованной стенками камеры сгорания.

2. Комплексная методика экспериментального исследования закономерностей формирования спинового фронта пламени, позволившая визуализировать изменение структуры фронта при потере устойчивости, произвести оценку изменения нолей температур, измерить величину тепловых потоков из зоны горения на поверхность камеры сгорания, обнаружить физические

явления, приводящие к изменению интенсивности теплообмена и потере целостности симметричного фронта пламени.

3. Экспериментальные результаты, подтверждающие: а) влияние расстояния между стенками щели и скорости распространения пламени на границы устойчивости симметричного фронта при переходе к спиновому горению; б) влияние локальных изменений концентрации компонент горючей смеси на выбор преимущественных направлений распространения спинового фронта пламени; в) влияние сил тяжести на скорость, характерные размеры спинового фронта пламени, количество очагов горения, формирующихся после погасания спинового фронта пламени; г) изменение интенсивности теплопередачи из пламени на стенки камеры сгорания при переходе к спиновому режиму распространения.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов формирования спинового фронта пламени, согласно которым распад целостного, симметричного фронта пламени вызван: а) теп-лоотводом тепла из ведущей точки фронта в стенки камеры сгорания и рассеянием теплового потока, вызванным растяжением фронта; б) конвективным диффузионным расслоением горючей смеси в направлении, касательном к фронту пламени;

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обнаруженные закономерности формирования спинового фронта иламепи, сопутствующие ему физические и гидродинамические эффекты дополняют представления о возможных причинах, условиях и формах проявления потери устойчивости и распада симметричного «кругового» фронта пламени.

высокими эксплуатационными характеристиками, а также для разработки нового тина «мембранных» двигателей внутреннего сгорания, отличающихся высоким коэффициентом сжатия.

4. Диссертационная работа выполнялась на кафедре экспериментальной физики Сургутского государственного университета (2010-2013 г.г.). Предложенные физические механизмы формирования спинового фронта пламени 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 [1-10], докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

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

- Всероссийской научной конференции с участием зарубежных ученых «Математическое и физическое моделирование опасных природных явлений и техногенных катастроф (Томск, 2010 г.);

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

- Х-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2011 г.);

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

- VIII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013);

Количество основных работ по диссертации - 10. Из них, в журналах, относящихся к перечню Высшей аттестационной комисии опубликовано 5 работ 11, 3-5, 7].

1. ТЕПЛО- МЛССОПЕРЕНОС И ГИДРОДИНАМИКА ПЛАМЕНИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ В УЗКОМ КАНАЛЕ Формирование известных до настоящего времени спиновых фронтов волн горения - спиновой детонации и фронта пламени в системах с самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС-системах) происходит иод влиянием критических граничных условий, накладываемых па скорость течения и интенсивность переноса тепла и массы вблизи зоны горения и детонации. Изменение величин определяющих физических параметров системы приводит развитию неустойчивости процессов переноса тепла и массы и скачкам скорости тепло- массообмена. В волне горения образуется одна или несколько ведущих точек, управляющих дальнейшим развитием химической реакции в волне горения.

Для СВС-систем формирование ведущих точек на фронте волны горения происходит под влиянием фазовых превращений и теплообмена на границе между исходным реагирующим веществом и продуктами ре