Самопроизвольные вихревые структуры в пламени при малых числах Рейнольдса тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Самсонов Виктор Петрович

САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ ВИХРЕВЫЕ СТРУКТУРЫ В ПЛАМЕНИ ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА

Специальность: 01.02.05. Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Сургут -2004

Работа выполнена в Сургутском государственном университете

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Бабкин

Вячеслав Степанович

доктор технических наук, профессор

Голованов

Александр Николаевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Хасанов

Ирек Равильевич

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе

Защита состоится 30 марта 2004 г. на заседании диссертационного совета Д 212.267'. 13 при Томском государственном университете по адресу: 634050 г. Томск, пр. Ленина, 36, конференц-зал.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан февраля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Для управления; характеристиками пламени, устойчивостью и интенсивностью тепло- массопереноса в камерах сгорания широко используется закрутка потока. Значительная техническая и экономическая целесообразность вынужденной закрутки газа в пламенах энергетических установок показана в монографиях Вулиса (1978) и Гупты (1987). Эффект закрутки определяется.интен-сивностью, характеризуемой отношением средних линейной скорости вращения и осевой скорости частицы газа в потоке. Необходимые значения г интенсивности закрутки достигаются увеличением расхода горючего газа и дополнительными затратами энергии. Влияние геометрии камер сгорания и большие скорости потока приводят к возникновению циркуляционных зон, развитию турбулентности и неконтролируемым неустойчивостям процесса горения. Известные результаты исследований течений в вихревых камерах в основном описывают влияние внешних воздействий на пламя, не позволяют сформулировать общие принципы взаимодействия вихревого течения с пламенем.

В рамках термодинамического подхода Климонтович (1983) и Скорняков (1996) рассматривают вовлечение рабочего вещества в вихревой поток как способ управления скоростью производства энтропии и направлением её стока при тепло- массообмене в камере сгорания. Характерно, что интенсивность вращения газа в течениях, приводящих к развитию диссипативных структур типа Бенара, Марангони, кольцевых вихрях в свободно-конвективных термиках, периодических вихревых структурах и др. одного порядка, что и в потоках с вынужденной закруткой. При- горении газовых и конденсированных систем фронт пламени; обеспечивает стационарное или периодическое ускорение потока и самоорганизацию вихревой структуры. Эммонсом (1963) показано,- что пламя является самостоятельным источником вихрей. Кроме того, фронт пламени одновременно создает несколько физических процессов, приводящих к образованию диссипативных структур - свободную конвекцию, «стретч-эффект» (Карлович (1953), Климов (1963), Гремячкин И; Истратов 1972) и колебательное движение среды (Маркштейн 1968). Гаррисом и Ли (1966) предложена теория формирования мультистабильных вихревых пламён.

Создавая необходимые ускорения потока и, являясь звеном обратной связи между возмущениями параметров среды и скоростью тепловыделения, пламя управляет вихревым движением среды. Фронт пламени как объект, порождающий новые формы самопроизвольных вихревых структур, до настоящего времени не изучался.

РОС,, МАЦ БИБЛ СП«

О»

В зависимости от типа развивающейся диссипативной структуры размеры вихревых ячеек могут изменяться от михельсоновской толщины фронта пламени до характерных размеров камеры сгорания. Глубина проникновения вихревого движения может превышать толщину динамического и температурного пограничного слоев. Этим объясняется существенное влияние вихревой структуры на кинетику химических реакций в пламени и выбор преимущественных направлений теплового потока из зоны пламени в окружающую среду.

Спонтанные вихревые структуры в пламени могут формироваться при малых расходах горючего газа. Высокая полнота сгорания топлива в вихревом пламени и эффективная теплоотдача в стенки камеры сгорания 1 делают технические приложения явлений вихреобразо-вания очевидными. В настоящее время теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении отсутствуют.

Цель диссертационной работы состоит в; разработке метода, указывающего основные, принципы; построения гидродинамических ситуаций, в которых пламя приводит к спонтанному формированию вихревых структур; создании комплексной методики экспериментального исследования вихревых течений: в пламени; проверке основных теоретических гипотез, объясняющих физические механизмы, управляющие явлениями вихреобразования; нахождении новых технологических решений, использующих эффект вихреобразования в: высокоэкономичных камерах сгорания;:

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Предложен новый подход в получении вихревых пламён, основанный - на создании условий для постоянного или периодического ускорения потока. В рамках этого подхода обнаружены новые формы: стационарных и нестационарных вихревых структур, присущие только течениям; с фронтальными химическими реакциями. Взаимодействие нестационарной вихревой структуры с фронтом пламени обеспечивает обратную связь между изменением; скорости горения и параметров потока, что приводит к устойчивым автоколебаниям процесса горения.

2. Экспериментально найдены условия спонтанного образования вихревых структур в пламени в виде областей, ограниченных зависимостями критериев Рэлея и Рейнольдса. Особенностью вихревого течения продуктов горения является существование гистерезиса числа вихревых ячеек и интенсивности теплообмена по критерию Рейнольдса при формировании сложной структуры, состоящей из большого числа вихревых ячеек. При обратном обходе гистерезисной кривой обнаружены бифуркации числа вихревых ячеек.

3. Предложены новые экспериментальные методы исследования полей скорости, температуры и концентрации в вихревых структурах: метод раздельной визуализации температурного поля и поля скоростей в камере Хил-Шоу; метод осаждения.продуктов горения на поверхности теплообмена; экспериментальный; способ анализа интегральной интерференционной! картины; в поляризационно-оптическом методе исследования теплоотдачи в пограничном слое; метод измерения энергии вихревого движения газа с помощью вставной подвижной гильзы.

4. Установлено соответствие между динамической перестройкой поля скоростей и поля температур в вихревой структуре. При распространении пламени в трубе взаимодействие вихря с фронтом пламени приводит к уменьшению нормальной скорости распространения вследствие увеличения скорости теплоотдачи из зоны реакции в продукты горения и развитию автоколебаний фронта пламени. При распространении фронта пламени по поверхности конденсированного топлива вихревая структура также является причиной автоколебательного режима горения.

5. Поляризационно-оптическим методом измерены градиенты температур, скорость и глубина проникновения тепловой волны в тело теплоприёмника; При переходе от потенциального течения к вихревому они возрастают в 1,2 ч- 1,5 раза. Это соответствует увеличению локальных и средних тепловых потоков из зоны горения на поверхность теплоприёмника в 1,2 т 1,3 раза..

6. Предложены физические механизмы вихреобразования в экспериментально изученных гидродинамических ситуациях.. Показано, что пламя создаёт следующие физические процессы, обеспечивающие самоорганизацию вихревой» структуры: тепловую гравитационную конвекцию, растяжение фронта пламени, приводящее к аналогу поверхностных капиллярных явлений и эффекту Марангони,- и автоколебательные или импульсные течения. При соответствующих краевых условиях развиваются вихревые возмущения, порождаемые фронтом пламени.

7. Получено обоснование предложенных физических механизмов вихреобразования путем сравнения результатов экспериментов и оценок параметров течения из аналитических решений соответствующих модельных краевых задач для уравнений движения вязкой среды.

8. Предложены научно обоснованные новые технологические решения, реализующие способы нагрева жидких и газообразных сред и горелочные устройства для их осуществления, позволяющие значительно увеличить к.п.д. камер сгорания.

Автор защищает:

1. Разработку нового подхода в гидродинамике пламени, указывающего основные принципы создания гидродинамических ситуаций, порождающих спонтанные, стационарные и нестационарные вихревые структуры в пламени при малых скоростях потока (Яе<400). Особенность нового подхода состоит в определении краевых условий и роли различных физических процессов: тепловой гравитационной конвекции, растяжения фронта пламени, автоколебаний при горении, способов осуществления механизмов обратной связи между скоростью горения, переноса тепла, окислителя и горючего в вихревой структуре.

2. Экспериментальные результаты, подтверждающие: а) спонтанное образование вихревой дорожки за фронтом пламени при распространении пламени в вертикальном полуоткрытом канале сверху вниз; б) формирование стационарной вихревой структуры в «опрокинутом» пламени при горении газа, вдуваемого на нижнюю плоскость горизонтальной или наклоненной поверхности пластины-теплообменника. Вихревые структуры в пламени представляют собой совокупность 1 + 5 вихревых ячеек диаметрами, изменяющимися от характерных размеров пламени до величины порядка михельсоновской ширины зоны горения. Изменение условий динамического равновесия между поступающей и рассеивающейся энергией приводит к гистерезису и бифуркациям числа вихревых ячеек по числу Рейнольдса; в) формирование нестационарной вихревой структуры при распространении фронта пламени по поверхности горючего материала; г) Формирование вихревой структуры в «поющем» пламени при автоколебательном горении в трубе-резонаторе с акустической обратной связью; д) увеличение скорости и полноты сгорания горючего газа и величины теплового потока, вызванное перестройкой ламинарного течения в вихревое. Реализация обратной связи скорости горения и скорости вращательного движения газа приводит к автоколебаниям горения и преобразованию стационарных вихревых структур в нестационарные.

3. Комплексную методику экспериментального исследования вихревых течений, позволившую визуализировать поля скоростей, произвести расчёт поля температур и концентраций в вихревой структуре, измерить интенсивность теплопередачи из зоны горения на поверхность теплообмена, установить физические процессы, приводящие к вихреобразованию.

Метод осаждения продуктов горения на поверхности теплообмена для визуализации стационарного вихревого течения в виде интерференционной картины.

Метод разделения полей температуры и скорости вихревого течения в камере Хил-Шоу.

Способы количественного анализа интегральных интерференционных картин, полученных осаждением продуктов горения на поверхность теплообмена и поляризационно-оптическим методом.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов самоорганизации стационарных и нестационарных вихревых структур в пламени. Основными физическими явлениями, приводящими к спонтанной самоорганизации вихревых течений,являются: а) ускорения потока во фронте пламени, создающем большие градиенты температур и концентраций; б) свободно-конвективная неустойчивость, связанная с ориентацией фронта пламени и направлением его распространения относительно вектора свободного падения; в) колебательное движение среды в области пламени. Соотношение характерных периодов индукции тепловой гравитационной конвекции и времени химической реакции во фронте пламени и резонансных частот камер сгорания обуславливают разнообразие способов реализации вихревых структур.

5. Технологические решения, использующие эффект спонтанного формирования вихревых структур для повышения к.п.д. камеры сгорания.

Полный объём выполненных исследований даёт начало новому научному направлению: «Самопроизвольные вихревые структуры в пламени».

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации

экспериментальных результатов обусловлена высокой повторяемостью всех явлений и эффектов в опытах, многократно производившихся при различных гравитационных, начальных и граничных условиях, характерных размерах камер сгорания, видах конденсированных топлив и горючих газов. Визуализация течения осуществлялась различными методами: прямой фото- киносъемки, теневыми и интерференционными, трассирующих частиц, осаждения продуктов горения на поверхность, поляризационно-оптическим. Измерения скоростей потоков и фронта пламени производились с высокой точностью по фильмам, снятым скоростной кинокамерой, методами измерения перепада давления на калиброванных капиллярах, ротаметрами и путём применения специально разработанного газометра с поршневым вытеснением газа. Измерения температуры производились термопарными, пирометрическими методами и путём расчёта по интерференционным изображениям тепловых неоднородностей. Измерения распределения энергии вихревого движения вдоль трубы-резонатора производили методом встав-

ной подвижной гильзы. Сравнение между собой всех полученных разными методами экспериментальных результатов дает хорошее качественное соответствие.

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обнаруженные типы вихревых структур в пламени дополняют представления о возможных причинах и условиях спонтанного вихре-образования при малых числах Рейнольдса, влиянии вихревой структуры на неустойчивость горения, скорость и полноту сгорания топлива, величину и направление теплового потока из зоны горения.- Обнаруженные закономерности формированияt и поведения- вихревых структур в пламени могут быть использованы для: оценки пожаро-взрывоопасности в технологических процессах, режимов устойчивого горения в камерах сгорания топок и двигателей, а также для повышения экономичности камер сгорания;

2. Предложенные физические механизмы и модели образования нестационарных вихревых структур- применялись в - экспериментальных исследованиях горения в невесомости и неустойчивого горения в камерах сгорания, выполнявшихся по хоздоговорной тематике кафедры теплофизики ЧГУ (г. Чебоксары), кафедры теоретической физики ЧГПУ (г. Чебоксары), проблемной лаборатории кафедры теплоэнергетики ЧГУ и госбюджетной тематике кафедры экспериментальной физики СурГУ (г. Сургут).

Апробация ? работы. Основные результаты работы докладывались на 2 Всесоюзном семинаре по гидромеханике и тепло- массооб-мену в невесомости (Пермь, 1981 г.), 5 Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Караганда, 1982 г.), 5 Всесоюзной школе-семинаре по механике реагирующих сред (Томск, 1984 г.), Международной конференции по горению (Мемориал Зельдовича, Москва, 1994 г.), Международной конференции «Физика и техника плазмы» (Минск, 1994 г.), 26-32 Международных конференциях по энергетическим; материалам (ФРГ, Карлсруэ, 1995-2001 г.), 3 Международном Симпозиуме по пиротехнике и взрывчатым веществам (Китай, Пекин, 1995 г.), 11 Научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика» (Казань, 1999 г.), Международной конференции по математике и механике (Томск, 2003 г.).

Количество основных работ по диссертации - 28;

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 143 наименований. Общий объём составляет 203 страниц, включая 53 рисунков.

Содержание работы.

Во введении обоснованы актуальность и практическая важность рассматриваемой в диссертации проблемы, даётся общая характеристика работы.

В первой главе диссертации проводится анализ современного состояния вопроса о горении в вихревых потоках. Известно, что вихревое течение с принудительной закруткой газа оказывает крупномасштабное влияние на поле течения: размеры, форму, устойчивость пламени и интенсивность горения. В связи с этим особый интерес представляет проблема самоорганизации вихревых структур в пламени.

В основополагающих работах Л.Д. Ландау, Я.Б.Зельдовича, Г. Эммонса показано, что механизм вихреобразования на поверхностях разрыва, в том числе и на фронте пламени, связан с возрастанием энтропии в диссипативных процессах, в частности, в реакциях горения. Механизмы перерастания вихрей в долгоживущие пространственные структуры могут быть связаны с внутренними свойствами нелинейной среды. Примерами могут являться: течение в диффузоре, колебательное течение вязкого газа, вихревые структуры Бенара, Марангони и др. В научной литературе имеются лишь работы, косвенно касающиеся исследований взаимодействия фронта пламени с вихревыми течениями в горючем газе (Б. Езси&е), роли вихреобразования при генерации пламенем акустических колебаний (В.В. Афанасьев, Н.И. Кидин, Ю.Я. Максимов), возможности технических приложений явлений самоорганизации вихревых структур в пламени (Г.В; Скорняков). Общий подход, указывающий основные принципы создания гидродинамических условий для самопроизвольного формирования вихревых структур в пламени и вовлечения рабочего вещества в интенсивный вихревой поток с целью управления процессом горения, в настоящее время не разработан.

Согласно сведениям, имеющимся в литературе, в настоящее время не ясна роль физических процессов, обеспечивающих самоорганизацию вихревых структур в пламени. Нет данных о геометрических и физических условиях, которые должны быть выполнены при организации процесса горения. Не разработаны методики исследования вихревых течений, масштабы которых могут изменяться от михельсонов-ской ширины фронта пламени до характерных размеров камеры сгорания. Не известно влияние спонтанной вихревой структуры на скорость, полноту сгорания, устойчивость горения и интенсивность тепло- мас-сообмена в камере сгорания. Исходя из недостаточной изученности и важности проблемы, сформулирована цель работы и составлена программа исследований.

Во второй главе описаны экспериментальные установки, системы и методы контроля, визуализации и измерения параметров течений вблизи фронта пламени в невесомости и нормальных гравитационных условиях. Состояние невесомости создавали на экспериментальной установке, состоявшей из тяжёлого контейнера, внутри которого помещали исследуемый объект, механизма подвески контейнера, его стабилизации и торможения, блока управления. Течение визуализировали в момент прохождения контейнером рабочего поля теневого прибора ИАБ-451 и регистрировали скоростной кинокамерой СКС-1М. Состояние невесомости осуществляли в течение 0,55 с при свободном падении контейнера. Специальный способ подвески контейнера позволял уменьшить величину остаточного ускорения, испытываемого объектом, до 10"3 £о- Контейнер просвечивали через окна в противоположных стенках, закрытые плоскопараллельными оптическими стёклами. Это обеспечивало использование теневого прибора, работавшего либо в режиме поляризационного интерферометра сдвига, либо осуществлявшего визуализацию процесса распространения пламени шлирен-мето-дом. Съёмку свечения пламени производили кинокамерой «Киев-16С».

Автоколебательные вихревые структуры, образующиеся в пламени, распространяющемся по поверхности полимера, визуализировали интерференционным методом. Изменения температуры поверхности полимера в области вихря производили с помощью термопар, вмонтированных в тело подложки. Запись сигналов с термопар производили шлейфовым осциллографом НО41У4.2.

Для изучения полей температур и скоростей в стационарных вихревых структурах, возникающих в пограничном слое при ориентированном вдувании газа на поверхность, разработаны метод осаждения сажи на поверхность обтекания и метод разделения температурного поля и поля скоростей. Главным элементом экспериментальной установки, реализующей метод осаждения сажи, являлась массивная пластина из нержавеющей стали. Поверхность пластины, вблизи которой формировалась спонтанная вихревая структура, тщательно шлифовали и полировали. Оседающие на пластине продукты горения оставляли прозрачный след, несущий в себе информацию о поле скоростей и температуре. Интерференционная картина, возникающая при освещении следа, позволяла проводить количественный анализ поля скоростей и температур. Для разделения полей скорости и температуры применяли камеру Хил -Шоу, параллельные стенки которой изготавливали из материалов, сильно отличающихся друг от друга теплопроводностью и теплоёмкостью: нержавеющей стали и плексигласа. За время экспозиции вихревого потока на стенку поле температур на ме-

таллической поверхности быстро выравнивается, в результате чего интерференционная картина следа на поверхности соответствует полю скоростей. На поверхности плексигласа поле температур за это же время не успевает стать однородным. В результате стенка из плексигласа испытывает внутренние напряжения, обусловленные неоднородным распределением температуры. При последующем просвечивании стенки в поляризованном свете наблюдается интерференционная картина, соответствующая распределению температур. Порядок времени выравнивания температуры на стенке камеры Хил -Шоу определяется

соотношением , где / - характерный размер вихревой струк-

туры, - коэффициент температуропроводности стенки. Тогда расположение интерференционных линий на изображениях вихревой структуры, оставляемых продуктами горения на одной из стенок, соответствует расположению изотерм, либо линий тока с вероятностью в

раза большей, чем на другой. Здесь <2, и а.г - коэффициенты температуропроводности металлической и плексигласовой стенок. Интерференционные изображения тепловой неоднородности изучали с помощью полярископа-поляриметра ПКС-125.

При исследовании теплообмена на поверхности обтекания в потоке продуктов горения поляризационно-оптическим методом измеряли градиенты температур вблизи поверхности внутри нагреваемой прозрачной стенки. Неравномерное нагревание поверхности, обусловленное влиянием вихревой структуры в потоке, приводило к неоднозначному распределению порядка интерференции на изображении тепловой неоднородности внутри стенки. Для устранения неоднозначности нагреваемую стенку изготавливали из стопы плексигласовых пластин. Просвечиваемые поверхности тщательно полировали. После нагревания в вихревом потоке стопу разбирали. Получаемая при просвечивании отдельной пластины интерференционная картина соответствует неравномерному распределению порядка интерференции в плоскости пластины. Совокупное распределение температуры складывается из профилей в отдельных пластинах стопы, определяемых по формуле Т-к-8 , где к - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментальным путём, - порядок интерференционной линии. Тепловой поток на поверхности определяли из закона Фурье где - коэффициент теплопроводности, -

градиент температуры в направлении, перпендикулярном нагреваемой поверхности.

Влияние спонтанной вихревой структуры на теплообмен пламени с поверхностью изучали путём измерения локальных и средних тепловых потоков в условиях формирования вихревой структуры и при потенциальном обтекании поверхности продуктами горения. Вихреоб-разование в продуктах горения увеличивает интенсивность теплоотдачи из зоны пламени к поверхности. Основной вклад в конвективный перенос тепла дают крупные вихревые ячейки, формирующиеся при больших скоростях движения газа. Объективной характеристикой влияния перестройки вихревой структуры на теплообмен является зависимость отношения тепловых потоков д / д0 к поверхности из вихревого и невихревого «опрокинутых» пламен от расхода газа. Методика эксперимента заключалась в измерении количества тепла, получаемого поверхностью за фиксированный промежуток времени. Локальные и средние тепловые потоки д и дО измеряли двумя методами:

поляризационно-оптическим и по тепловому балансу. В первом из них поверхность теплообмена представляла стопу из плоских плексигласовых пластин. Поверхность обтекания во втором методе являлась одновременно и поверхностью камеры сгорания и теплоприёмником. Она образована тонкой металлической стенкой сосуда, наполненного водой. Газ вдували через несколько отверстий на поверхности теплопри-емника. Их число изменяли от 4 до 12 для того, чтобы площадь поверхности теплоприемника 5 полностью была занята «опрокинутыми» пламенами, стабилизированными на всех отверстиях вдува. Средний тепловой поток вычисляли по соотношению д = ОШ, где

- установившееся количество тепла, получаемое водой с поверхности теплоприемника в единицу времени, V - объёмный расход воды, (Т2 — Тх) - разность температур воды на входе и выходе из теплоприемника, Сир- удельная теплоёмкость и плотность воды при 20"С. Объёмный расход воды во всех опытах устанавливали одинаковым и равным 0,15 -10"3 м3/с. Разность температур Т2 — Тх изменялась от 30 до 60 К в зависимости от диаметра отверстия

и скорости вдува горючего газа.

Для исследования спонтанной вихревой структуры за фронтом пламени, распространяющимся по заранее перемешанной горючей газовой смеси, использовали реакционные трубы, открытые с одного конца. Трубы имели квадратные или прямоугольные сечения различного размера. В середине внутренних стенок труб были вмонтированы термопары размером 30-50 мкм, расположенных на одной вертикали.

Устройство для ввода во внутренний объём трубы мелких частиц окиси магния позволяло производить визуализацию вихревого течения методом трассирующих частиц.

Исследовали влияние вихреобразования на изменение нормальной скорости распространения пламени. Нормальную скорость распространения пламени ип рассчитывали по соотношению

ип - и • 5Л, / , где 8т и 8т - площади искривленного фронта

пламени и поперечного сечения трубы, и - видимая скорость распространения пламени. Видимую скорость распространения пламени и площадь искривленного фронта пламени определяли по изображениям фронта пламени на кинокадрах.

Спонтанные вихревые структуры, возникающие при автоколебаниях диффузионного и кинетического «поющего» пламени, изучали на установке, состоящей из вертикальной стеклянной трубы, системы подвода газа из газометра и измерения расхода. Диаметр трубы изменяли от 4 см до 12 см. Течение визуализировали методом трассирующих частиц, вводимых через верхний конец трубы и путём задымления потока у нижнего конца. Колебания свечения пламени и давления в трубе-резонаторе регистрировали с помощью фотодиодов ФД-3 и пъе-зокерамических датчиков. Сигналы с датчиков фиксировали двухлуче-вым осциллографом.

Импульсный кольцевой вихрь получали при истечении газа из открытого конца трубы, в которой пламя распространялось по горючей смеси от закрытого конца. Положение точки инициирования пламени и состав горючей смеси изменяли, добиваясь тем самым изменения тепловой мощности, передаваемой вихревому движению газа и времени формирования импульса. Использование богатых пропано-воздушных смесей позволяло получить вихревые цуги из двух-трех вихревых колец, изучить процесс воспламенения в вихре части не сгоревшей в трубе горючей смеси и процессы догорания горючей смеси в трубе.

Детали физического механизма формирования импульсного вихря проверяли в опытах, исключающих взаимодействие потока с кромкой отверстия. Вихрь создавали путём импульсного продавливания продуктов горения и части не воспламенённой горючей смеси через слой гранулированных частиц различных материалов. Диаметр гранул и толщину слоя изменяли. Поджигание газа в вихре производили на поверхности слоя высоковольтной электрической искрой. Слой частиц наполняли порошком окиси магния. Динамику развития вихря фиксировали кинокамерой при освещении методом светового ножа.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования закономерностей спонтанного образования вихревых структур в различных гидродинамических ситуациях, образованных пламенем при стационарном и автоколебательном горении газов и конденсированных систем.

Стационарные, спонтанные вихревые структуры наблюдали при горении горючего газа, вдуваемого через отверстие в плоской горизонтальной пластине на её нижнюю поверхность. В качестве горючего газа использовали смеси пропана с воздухом. В отдельных опытах для лучшей визуализации течения методом осаждения сажи пластину отклоняли от горизонтального положения на 2-5 градусов. Изменяемыми параметрами являлись: диаметр отверстия вдувания газа (горелки), скорость и концентрация газа. При изучении устойчивости вихревой структуры к возмущениям скорости изменяли также амплитуду и частоту специально создаваемых колебаний расхода газа. Диаметр горелки изменяли от 3 мм до 12 мм. Величина скорости вдувания определялась необходимостью получения границ спонтанного формирования вихревой структуры. Концентрацию пропана изменяли от нижнего концентрационного предела до 100%. При воспламенении газа у нижней поверхности пластины образуется слой растекающихся продуктов сгорания. Снизу он ограничен фронтом пламени. Обнаружено, что при определённых скоростях истечения газа и диаметрах отверстия вдувания в ламинарном потоке продуктов сгорания самопроизвольно формируется вихревая структура, состоящая из одной или нескольких вихревых ячеек. На рис. 1 представлены фотографии сажевых следов, визуализирующих вихревые структуры в пламени. Изменение скорости вдувания газа приводит к изменению числа вихревых ячеек. Перестройка вихревой структуры происходит скачком, без каких-либо промежуточных состояний. Наибольшее число вихревых ячеек в структуре соответствует малым скоростям вдувания газа. Увеличение числа вихревых ячеек сопровождается их дроблением на мелкомасштабные, вплоть до размеров, равных глубине проникновения вихревого движения где - кинематическая вязкость, - круговая частота. По порядку величины линейные размеры совпадают с михельсо-новской шириной фронта пламени «0,5 мм. Критические условия спонтанного вихреобразования показаны на рис. 2 в виде зависимостей числа Рэлея Яа от числа Рейнольдса Яе. Внутренние области 1, 2, 3, ограниченные графиками зависимостей Яа(Яе), заполнены экспериментальными точками, определяющими числа Рэлея и Рейнольдса, при которых образуются вихревые структуры, содержащие одну, две, три и более вихревых ячеек. На границах, разделяющих области 1,2, 3, нане-

сены экспериментальные точки с указанием интервалов погрешностей, с которыми они определены. На рис. 2 видно, что при Ка 15000, вихреобразование не происходит. При достигаемых путём

увеличения диаметра горелки, течение турбулизуется. Уже сформировавшаяся вихревая структура обладает «памятью» по отношению к предшествующему состоянию. Это проявляется в гистерезисной зависимости числа вихревых ячеек в структуре от числа Яе. Наиболее сильно гистерезис заметен в вихревой структуре, состоящей из двух-трёх крупных ячеек, поскольку они формируются при больших скоростях газа и обладают основной кинетической энергией вращательного движения. Влияние вихревой структуры на интенсивность теплообмена пламени с поверхностью обтекания показано на рис. 3 в виде гисте-

резисных зависимостей д/^ от числа Рейнольдса для различных чисел Рэлея, полученной при горении смеси 50% пропана с воздухом. Направление обхода графиков - против часовой стрелки. Обнаружено, что перестройка течения в вихревой структуре сопровождается бифуркацией числа вихревых ячеек, то есть различными стационарными состояниями структуры при одних и тех же числах Яе. Влияние естественной, тепловой, гравитационной конвекции исследовано путём изменения угла наклона поверхности к горизонту и в опытах с плоским экраном, устанавливавшимся параллельно поверхности обтекания на различных расстояниях от неё. Установлено, что при уменьшении проекции вектора скорости естественной конвекции на нормаль к поверхности вихревая структура не образуется. Показано, что при горении заранее перемешанной горючей газовой смеси скорость вращения газа в вихре увеличивается.

Исследование вихревой структуры, порождаемой фронтом пламени при стационарном распространении фронта пламени по заранее перемешанной горючей газовой смеси в полуоткрытой трубе преследовало две цели. Первая из них заключалась в выявлении роли гравитационных условий на форму, устойчивость и скорость распространения пламени, а вторая - в нахождении условий вихреобразования. Изучено влияние гравитации на диффузионно-тепловую устойчивость пламени. Найдены условия возникновения и развития возмущений на поверхности пламени в зависимости от состава горючей смеси и гравитационных условий. Шлирен-методом визуализировали фронт пламени при распространении от открытого конца трубы по пропано-воздуш-ной и СО-воздушной смесям. Определялись составы горючей смесей, при которых наблюдали самопроизвольное появление ячеистого пламени. Закономерности изменения формы и скорости распространения пламени в условиях невесомости изучали при горении горючих смесей,

устойчивых в тепло-диффузионном отношении. Экспериментально изучена гидродинамическая устойчивость искривлённого фронта пламени к мелкомасштабным возмущениям. Показано, что снос мелкомасштабных возмущений к стенкам трубы за время, меньшее времени индукции естественной конвекции, не оказывает влияния на гидродинамику продуктов горения за фронтом пламени.

Изучено развитие вихревой структуры за фронтом пламени, распространяющимся в вертикальной трубе интерференционным методом и методом трассирующих частиц. Установлено, что при распространении пламени вниз в нормальных гравитационных условиях за фронтом пламени спонтанно формируется вихревая структура. На рис. 4 представлены фрагменты из интерференционного фильма, иллюстрирующие развитие вихревой структуры в продуктах горения. Вращение продуктов горения у стенки направлено вниз к оси трубы и вдоль оси трубы - вверх. Уменьшение скорости распространения пламени усиливает интенсивность вихреобразования. В строго вертикальной трубе чередование вихревых ячеек на противоположных стенках трубы аналогично возникающей при обтекании жидкостью твёрдого тела вихревой дорожке Кармана. Это подтверждается зависимостью числа Стру-халя от числа Рейнольдса. В невесомости и при другой ориентации трубы относительно вектора ускорения свободного падения вихревая структура не формируется. Обнаружено, что существует обратная связь между периодическим изменением интенсивности вихря и колебаниями фронта пламени. Характер обратной связи определяется скоростью теплообмена между фронтом пламени, продуктами горения и стенками трубы. На основе интерференционных измерений изменения энтальпии продуктов горения при формировании вихревой структуры и измерений по кинофильмам нормальной скорости пламени показано, что уменьшение нормальной скорости распространения связано с возрастанием теплопотерь из фронта пламени. Запаздывание участков фронта пламени с пониженной вследствие теплопотерь температурой является причиной возникновения автоколебаний фронта пламени. На рис. 5 представлены графики изменения нормальной скорости распространения пламени Аип / Дмя0(^) при формировании вихревой структуры. Здесь ип и мп0 - нормальная скорость распространения пламени в обычных гравитационных условиях и в условиях невесомости. Автоколебания фронта пламени изучали в опытах с отклонением оси трубы на 2-5 градусов от вертикали. Обнаружено, что вихревая дорожка Кармана в этих условиях не образуется, а вихрь образуется только вблизи стенки, для которой проекция вектора ускорения свободного падения на нормаль к поверхности - положительна. Интенсивность

вихревого движения периодически изменяется, запаздывая по фазе на четверть периода от колебаний фронта пламени. Изменение размеров поперечного сечения трубы от 1 х 1,5 см до 10 х 15 см позволило установить области спонтанного формирования вихревой структуры в координатах чисел Рэлея и Рейнольдса, приблизительно совпадающие с теми, что представлены на рис. 2.

Установлена связь между возбуждением акустических колебаний «поющим» пламенем в трубе-резонаторе и вихреобразованием в потоке газа. Визуализация течения методом трассирующих частиц и путём задымления потока позволила установить, что у среза горелки формируется тороидальный вихрь. Вихрь занимает всё поперечное сечение трубы в области смешения горючего газа и холодного воздуха. Акустические колебания столба газа в трубе-резонаторе вызывают колебания продольной координаты вихря относительно некоторой плоскости, определяющей положение равновесия. Колебания вихря сопровождаются периодическим изменением скорости вращения газа в нём. Вниз по потоку вихревое течение отсутствует, а газ движется поступательно, как поршень в соответствии с аннулярным эффектом Ричардсона. Переменные тепловыделение в пламени и скорость вращения газа в вихре создают вдоль оси трубы-резонатора периодическое распределение температуры. Получены амплитудно-фазовые соотношения между колебаниями светимости пламени и колебаниями давления. В диффузионном пламени колебания светимости отстают по фазе на половину периода от колебаний давления. В координатах чисел Рэлея и Рейнольдса получены критические условия вихреобразования. Показано, что при автоколебания и вихревая структура отсутствуют.

Экспериментально обнаружено, что периодическое вихреобра-зование в пламени вызывает автоколебания скорости распространения диффузионного пламени по поверхности горючего материала. Обнаружено влияние гравитационных условий и скорости распространения пламени на спонтанное формирование вихревой структуры. Показано, что при скорости распространения пламени, соответствующей условию на передней кромке пламени образуется вихрь.

Здесь d - ширина зоны горения за фронтом пламени. Вихреобразова-ние на передней кромке пламени индуцирует вихревые ячейки внутри области, охваченной горением. В течение времени, по порядку величины равному времени индукции свободной конвекции, передний вихрь увеличивается в размерах и уносится свободноконвективным течением. Затем процесс повторяется. Максимальная температура во фронте пламени в течение периода колебания изменяется на 3 4- 5%, что вызывает периодическое изменение скорости горения. Процесс распростра-

нения пламени в условиях невесомости всегда стационарен, а само пламя устойчиво при любых скоростях распространения. Определены критические условия спонтанного вихреобразования и автоколебательного режима горения в виде зависимостей чисел Рэлея и Рейнольдса.

Экспериментально исследованы связь процессов горения в камере сгорания с закономерностями формирования импульсных вихревых структур при выхлопе из неё продуктов горения в случае, если камера сгорания является акустическим резонатором Гельмгольца для низкочастотных колебаний столба газа. В технике подобные вихревые структуры, представляющие собой цуги из двух-четырёх кольцевых вихрей, наблюдаются при старте ракет из подземных шахт, выстрелах орудий, импульсном облучении лазером мишеней и т.д. В экспериментах использована труба, открытая с одного конца, как наиболее простая для проведения экспериментов и важная с технической точки зрения релаксационная камера сгорания. Определены длина и диаметр трубы, обеспечивающие необходимые упругость газа, его массу и коэффициент сопротивления потерь. Найдены зависимости безразмерной тепловой энергии 2), выделяемой при горении, от числа Струхаля

которые определяют условия формирования вихревой структуры в виде цуга из двух-трех вихревых колец. Здесь 0- тепловой эффект реакции, - плотность и скорость продуктов реакции, 1/г и / - частота релаксационных колебаний столба газа и расстояние от закрытого конца трубы до точки, в которой производится зажигание горючей смеси. Обнаружено, что цуги формируются при выхлопе продуктов горения у открытого конца трубы только при горении богатых горючих смесей. Показано, что при значениях тепловой мощности ниже критических вихревые цуги не формируются, а истечение продуктов горения осуществляется непрерывной струей. На рис. 6 представлены экспериментальные результаты, определяющие область формирования вихревых цугов. При распространении пламени в трубе газ колеблется как поршень, создающий у открытого конца в течение периода колебаний либо избыток давления, либо разрежение. Резонансная частота релаксационных колебаний определяется соотношением 1/г = •/) «0,3-И Гц. Здесь 5 и V- площадь поперечного

сечения и объем трубы. Найдены концентрационные пределы, обеспечивающие релаксационные колебания пламени и формирование вихревых цугов. Для пропано-воздушных смесей они равны 5,7 А 8,2%. Вне указанных концентраций механизмы поддержания релаксационных колебаний отсутствуют. Обнаружено, что формирование вихревого кольца в цуге сопровождается распространением соответствующего

ему фронта пламени в трубе. Цугу из двух-трех вихревых колец соответствует два-три фронта пламени, одновременно распространяющихся в трубе. Визуально пламена отличаются цветом, формой и скоростью распространения, что свидетельствует о разделении газовой смеси после каждого релаксационного колебания на области с различной концентрацией горючего газа. Фронт пламени, находящийся у закрытого конца трубы - неустойчивый, ячеистый, ярко светящийся. Он отделяет богатую смесь от второго фронта пламени, более устойчивого и распространяющегося с большей скоростью. Третий фронт пламени распространяется по бедной горючей смеси. Выгорание остатков горючей смеси происходит спустя большое время после завершения релаксационных колебаний.

Исследованы закономерности формирования кольцевого вихря при импульсном проталкивании продуктов горения через плоский, проницаемый слой. Обнаружено, что формирование импульсного кольцевого вихря подчиняется тем же закономерностям, что и при истечении затопленной струи продуктов горения. Различие лишь в том, что в случае проталкивания газа через плоский проницаемый слой

величина необходимой безразмерной энергии увеличивается в у')2

раз. Здесь - скорости струи до входа в слой и при выходе из

него. Распределение скорости газа в струе не оказывает влияния на формирование вихревого кольца.

В четвертой главе на основании полученных экспериментальных данных обсуждаются определяющие механизмы самоорганизации стационарных, когерентных вихревых структур в пламени. Вихревое течение является формой ускоренного движения частиц газа. Ускорение независимо от геометрии течения может быть вызвано различными физическими процессами, сопровождающими горение. Основным из них является естественная конвекция. Наличие вертикальных, направленных сверху вниз градиентов температур, превышающих критические значения, порождает тэйлоровскую неустойчивость и конвективное течение. В случае, если горючий газ вдувается через отверстие на нижнюю сторону горизонтальной пластины, фронт пламени совместно с поверхностью обтекания образует неравномерно нагретый горизонтальный слой горючего газа и продуктов горения. В нем развивается Рэлей-бенаровская конвекция. Число Рэлея Ra = g• /3'АТ-1*Цу-а), где g - ускорение свободного падения, [} - коэффициент объемного температурного расширения, - разность температур в пламени и на поверхности, V и а - коэффициенты вязкости и температуропроводности, полностью определяется скоростью вдувания горючего газа,

температурой и скоростью реакций горения. Оно намного превышает критическое значение, равное 1708 при наличии твердой и свободной границ области конвективного движения. Между фронтом пламени и поверхностью обтекания формируются вихревые структуры с периодичным (ячеистым) движением. Размеры и число вихревых ячеек зависят от линейных размеров пламени. Наличие во фронте пламени критической точки, относительно которой растекаются продукты горения, создает тангенциальный к фронту пламени градиент скорости. В результате такого движения и связанного с ним тепло- массоотвода пламя растягивается в касательном направлении. При этом зона прогрева газа сужается, а тепловой и диффузионный потоки увеличиваются. Явление растяжения пламени является процессом, создающим дополнительную конвективную неустойчивость, аналогичную капиллярному эффекту Марангони. Тепловая гравитационная конвекция и касательные ускорения совместно вызывают самоорганизацию вихревой структуры. Энергия вращательного движения в вихревой структуре увеличивается, так как складывается из энергии поступательного движения газа в газоподводящем тракте, потенциальной энергии, приобретаемой при выделении тепла в экзотермической реакции горения в поле сил тяжести и энергии теплового расширения газа.

Рэлеем было показано, что характер вихревого движения газа в горизонтальном слое задается волновым числом, определяющим периодичность течения в пространстве. Периодичность вихревой структуры реализует мультистабильные энергетические состояния с соответствующим балансом энергии между основным и вихревым течениями. Устойчивость структуры зависит от обмена энергией между основным и вихревым течениями и диссипативной потери энергии. Равновесие в диссипативной вихревой структуре может быть нарушено за счет изменения потоков энергии из одной области пространства в другую. Известно, что плотность потока энергии диссипации вращательного движения зависит от ротации скорости и определяется выражением где - скорость и кинематическая вязкость газа, - круговая частота. Основная кинетическая энергия вращательного движения сосредоточена в крупномасштабных вихревых ячейках. Это обстоятельство объясняет гистерезисную зависимость числа вихревых ячеек от числа Рейнольдса, характеризующего основное течение. Как видно из рис. 2, гистерезисная зависимость №(Яе) -не симметрична. В области больших чисел Нуссельта, соответствующих крупномасштабному вихревому течению, коэрцитивная сила в раза больше.

Изменение направления вектора ускорения свободного падения при постоянных числах Яе и Яа приводит к изменению направления вращения газа. Это согласуется с результатом анализа автомодельных решений уравнений пограничного слоя при свободноконвективном растекании газа в плоском пограничном слое и экспериментальными данными. Сажевые отпечатки вихрей на пластине дают основания предположить качественную картину вихреобразования, сходную с образованием кольцевого вихря при подъеме термика. Их отличие заключается в причинах, вызывающих ускорение газа и его торможение. Торможение и растекание термика с образованием вихря происходит за счет понижения температуры в передней части струи, а при вдувании газа вниз через отверстие в пластине торможение струи и ее растекание происходит при повышении температуры вниз по течению. Оценки потоков тепла, импульса и скорости восходящей свободнокон-вективной струи продуктов горения подтверждают предположение о механизме влияния вихревого течения на теплообмен продуктов горения с поверхностью обтекания. Показано, что распределение температуры на обтекаемой поверхности определяется расположением и размерами вихревых ячеек в продуктах горения. Это объясняется тем, что продукты горения, имеющие вблизи фронта пламени максимальную температуру, переносятся вихрем непосредственно на стенку. Локальное повышение температуры на поверхности теплообмена согласуется с измерениями температуры поляризационно-оптическим, термопарным методами, методом осаждения сажи на поверхность и является причиной увеличения коэффициента теплоотдачи из зоны горения на поверхность теплообмена.

Формирование стационарной вихревой структуры в вертикальной трубе за фронтом пламени, стабилизированном на пористой горелке, также обусловлено влиянием свободной конвекции. Отличие лишь в особенностях граничных условий, определяющих ее влияние на распределение скорости продуктов горения при их ускорении (торможении) в поле сил тяжести. Продукты горения охлаждаются на холодных стенках трубы в вязкостно-гравитационном режиме, когда направления вынужденного и свободноконвективного движений противоположны. Необходимыми и достаточными условиями образования вихря являются: а) характерное время движения частицы в трубе должно быть меньше времени индукции свободной конвекции; б) в области вихря должно выполняться условие отрыва пограничного слоя на стенке. Закономерным является тот факт, что области самоорганизации стационарных вихревых структур на плоской поверхности и в трубе, построенные в координатах чисел Яа и Яе, приблизительно совпадают.

В пятой главе на основании полученных экспериментальных данных обсуждаются механизмы самоорганизации нестационарных, периодически изменяющихся во времени когерентных вихревых структур. При определенных граничных условиях пламя является главным элементом автоколебательной, диссипативной системы, обеспечивающим согласованность поступления и рассеивания тепловой энергии. Автоколебания процесса горения порождают колебания газа, являющиеся одной из форм ускоренного течения. Глубина проникновения колебаний определяет толщину пограничного слоя <8 = -^у/й) , в котором начинается возвратное течение, отрыв пограничного слоя и вращение частиц газа. Структура вихревого течения усложняется тем, что колебания слоев газа, разделенных друг от друга расстоянием у,

смещены по фазе на величину Условиями поддержания ав-

токолебаний являются равенство времени химической реакции, периода вращательного движения и определенных амплитудно-фазовых соотношений между колебаниями скорости потока и тепловыделения в зоне горения.

В пламени, распространяющемся вниз от открытого конца вертикальной трубы, в системе отсчета, связанной с фронтом пламени, колебания координаты ядра вихревой ячейки и скорости вращения газа в ней отстают на четверть периода от колебаний координаты ведущей точки фронта пламени. В строго вертикальной трубе траекториями ведущей точки являются окружности, а в трубе, наклоненной под небольшим углом к вертикали, траекториями являются эллипсы. Экспериментально показано, что в течение периода колебаний происходит изменение градиента температуры вблизи стенки трубы в области вихревой ячейки. Следовательно, решающую роль в развитии автоколебаний играет теплообмен между вихревой ячейкой и фронтом пламени. Запаздывание колебаний скорости и температуры в вихре на четверть периода от колебаний координаты ведущей точки равно времени, необходимому на конвективный перенос тепла и связано с временем индукции свободной конвекции. В течение этого времени происходит изменение температуры пламени и нормальной скорости его распространения, что является причиной автоколебаний при распространении фронта пламени. В вертикальной трубе условия вихреобразова-ния и возникновения автоколебаний описываются соотношениями 70Ре/Яа™ £1 и 0,328,/г• Л « м(77 Г0 -1), где Ре = и-й!а - критерий Пекле. Оценка видимой скорости распространения пламени и, при которой происходит вихреобразование, по этим соотношениям дает величину 5 см/с, близкую к измеренной экспериментально.

Для оценки влияния вихреобразования на развитие автоколебаний и гашение пламени при горении околопредельной смеси можно использовать выражение, описывающее понижение температуры в зоне реакции, полученное Зельдовичем для случая, когда доминирующим является теплоотвод конвекцией:

Здесь - соответственно, адиабатическая температура горения,

реальная температура горения и начальная температура смеси, Ыы -критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотвода конвекцией. Известно, что для ламинарного конвективного течения а для турбулентного Ии' =0,135Яаиг. Учитывая, что вихреобразование турбулизует ламинарное течение продуктов горения, для околопредельного пламени получим

где - отношение изменений температуры в зоне

пламени при ламинарном течении и вихреобразовании. Подставляя в выражение для в значение 108, рассчитанное для трубы диаметром 0,06 м, получим в = 1,2 • Понижением температуры в зоне горения можно объяснить уменьшение нормальной скорости распространения тех участков фронта пламени, вблизи которых формируется вихревая ячейка.

Определена роль вихревой структуры при возбуждении акустических колебаний «поющим» пламенем в трубе-резонаторе. В рамках теории Рэлея поддержания автоколебаний горения вихревая структура вблизи пламени выполняет функции устройства, осуществляющего обратную связь между колебаниями давления, скорости потока в трубе и скорости тепловыделения в пламени. Экспериментальными данными подтверждено, что периодический конвективный перенос тепла из зоны пламени во внешний поток и к стенкам трубы осуществляется вихревым течением, в котором колебания угловой скорости вращения отстают по фазе на четверть периода от колебаний давления. Показано, что максимум функции ротации скорости находится в плоскости среза горелки и обусловлен температурным расширением газа в пламени. Вниз по потоку газ движется поступательно, а визуализируемые в эксперименте неоднородности течения являются тепловыми вследствие колебаний скорости теплообмена в зоне горения.

Периодическое изменение скорости теплоотвода с поверхности конденсированного топлива также является причиной автоколебательного режима распространения пламени. Механизм самопроизвольного образования вихревой структуры связан с ускорением потока во фронте пламени при развитии свободной конвекции. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные, полученные при изменении гравитационных условий и численные расчеты полей скорости и температуры. Колебания скорости теплоотвода из зоны горения во внешнюю среду также обусловлены колебаниями угловой скорости газа в вихревой ячейке, отстающими на четверть периода от колебаний скорости распространения фронта пламени. Время релаксации, необходимое для развития вихревого течения при изменении ускорений потока, вызванных различными физическими причинами во всех указанных гидродинамических ситуациях, объясняет гистерезисные явления, сопровождающие самопроизвольное формирование вихревых структур в пламени.

Шестая глава посвящена рассмотрению технических приложений явлений самопроизвольного образования вихревых структур в пламени. Одно из очевидных преимуществ камер сгорания с самопроизвольным образованием вихревых структур заключается в возможности использования гистерезиса коэффициента теплоотдачи по расходу горючего газа. Технологическая особенность режима работы камеры сгорания состоит в том, что сначала увеличивают расход горючего газа до ReA, при которых формируется единственная вихревая ячейка, а коэффициент теплоотдачи становится максимальным. На рис. 3 видно, что в случае вдувания горючего газа на плоскую поверхность ReKp«300, Nu «350, Nil/Re^,« 1,15. Затем расход горючего газа уменьшают до тех пор пока, отношение Nu/Re не возрастет до максимального значения. Из рис. 2 видно, что Nu/Re «3,12 при Re «80 и Nu «250. Таким образом, увеличения к.п.д. установки добиваются не увеличением, а уменьшением расхода горючего газа, при этом течение горючего газа остается ламинарным. Опытным путем установлено, что удельная тепловая мощность, снимаемая с теплопринимающей поверхности камеры сгорания, составляет величину «25 кВт/м2. Данный подход применим и к камерам сгорания, выполненным в виде вертикальной трубы с пламенем, стабилизированным внутри трубы на пористой горелке у нижнего закрытого конца.

Закономерности формирования вихревых структур при импульсном истечении продуктов горения из камер сгорания представляют интерес для диагностики и оценки тепловой мощности и геометрических объемов различных источников выбросов газа: резервуаров при аварийных ситуациях на них, артиллерийских орудий, двигателей

ракет при запуске из шахт и др. Из полученных экспериментальных результатов следует, что форма и размер сопла мало влияют на условия образования вихревых цугов. Величина начальной ротации скорости почти полностью определяется ускорениями потока газа в импульсной струе. В связи с этим визуализация вихревых цугов является способом получения информации о числе и частоте релаксационных колебаний, диаметре сопла и начальной скорости истечения газа. Воз-можиость оценки отдельных характеристик камеры сгорания следует из соотношения для добротности N = \>-т!к, где т - масса газа, - коэффициент сопротивления потерь для низкочастотных колебаний, к и Я- длина камеры сгорания и радиус поперечного сечения сопла.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

Разработаны основы и принципы метода создания физических условий в камерах сгорания, при которых самопроизвольно формируются стационарные или нестационарные вихревые структуры в пламени при ламинарном течении горючего газа и продуктов горения. Метод построен на основе кинематического истолкования вектора вихря, являющегося мгновенной угловой скоростью вращения главных осей тензора скоростей деформации среды при ускоренном движении частиц в потоке. Метод указывает основные физические явления и граничные условия, способствующие развитию постоянных и периодических во времени ускорений потока горючего газа и продуктов горения. Метод определяет роль фронта пламени как источника вихревых возмущений и главного элемента диссипативной системы, создающего сопутствующие физические явления и механизмы обратной связи между колебаниями температуры, скорости и давления. При этом ускоренное движение газа является внутренним свойством системы.

Метод основан на экспериментальных результатах, согласно которым вихреобразование происходит в областях максимального ускорения (торможения) потока.

В рамках данного метода экспериментально установлено, что основными физическими явлениями, приводящими к самопроизвольному образованию вихревых структур в пламени, являются: естественная тепловая гравитационная конвекция, растяжение пламени, автоколебательное и релаксационное горение. Показано, что энергия вращательного движения газа в вихревой структуре складывается из потенциальной энергии продуктов горения в поле сил тяжести, кинетической энергии горючего газа в газоподводящем тракте и кинетической энергии вследствие теплового расширения.

Экспериментами по горению газовых и конденсированных систем в невесомости и нормальных гравитационных условиях показано, что влияние сил тяжести на: а) гидродинамику продуктов горения; б) устойчивость и форму пламени; определяется соотношениями Fr <0,1 и Fr <0,5. Области самопроизвольного формирования стационарных вихревых структур ограничены зависимостями чисел Рэлея и Рей-нольдса. Экспериментально установлено, что критическое условие самоорганизации вихревых структур при автоколебаниях горения определяется характерным временем свободной конвекции и основной частотой камеры сгорания. Формирование вихревых цугов при релаксационном горении определяется зависимостью безразмерной тепловой мощности от числа Струхаля.

Показано, что вихревые структуры в пламени консервативны к изменениям внешних условий. Это проявляется в гистерезисной зависимости числа вихревых ячеек в структуре при изменении скорости потока. Перестройка вихревой структуры сопровождается бифуркацией числа вихревых ячеек. Установлено, что релаксационные процессы в нестационарных вихревых структурах определяют амплитудно-фазовые соотношения между колебаниями скорости и давления.

Установлено, что вихревая структура является причиной увеличения интенсивности теплообмена между фронтом пламени, продуктами горения и стенками камеры сгорания в 1,2-ь 1,3 раза. Обнаружена гистерезисная зависимость коэффициента теплоотдачи от величины расхода горючего газа.

Рассмотрены применения метода для разработки более экономичных технологий сжигания горючего газа в камерах сгорания. Представлены результаты экспериментов, с помощью которых можно осуществлять диагностику процессов импульсного выброса газа из технологических объемов.

Разработана комплексная методика экспериментального исследования вихревых структур в пламени в нормальных гравитационных условиях и в невесомости на лабораторном стенде. Разработаны новые методы исследования полей температуры, скорости и концентрации для измерения полноты сгорания топлива и коэффициента теплоотдачи. Разработан метод измерения энергии вращательного движения, позволивший установить роль вихревой структуры в механизме обратной связи между колебаниями скорости горения и давления при автоколебательном горении в трубе-резонаторе.

Сформулированы перспективы метода и направления дальнейших исследований самопроизвольного образования вихревых структур в пламени, представляющих научный интерес и имеющих прикладное значение: вихреобразование при горении газа в расширяющихся каналах, двухфазных пламенах, «обращенном» пламени и др.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Абруков С.А., Давыдов А.Е., Данилкин В.А., Тямейкин В.Я., Самсонов В.П. Экспериментальное изучение стационарного распространения пламени в трубе // Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18. № 6. С. 45л*8.

2. Абруков С.А., Самсонов В.П. Интерференционное исследование влияния гравитационных условий на термодинамическое состояние продуктов горения и нормальную скорость пламени // Химическая физика. 1983. №9. С. 1255-1258.

3. Самсонов В.П. Структура диффузионного пламени в невесомости // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20. № 2. С. 55-60.

4. Самсонов В.П. Влияние тепловой гравитационной конвекции на распространение пламени по поверхности топлива // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20. № 5. С. 45-50.

5. Самсонов В.П. Распространение пламени в импульсном поле ускорений // Физика горения и взрыва. 1984. Т.20. № 6. С. 58-61.

6. Абруков С.А., Кидин Н.И., Самсонов В.П. Закономерности распространения пламени в трубе в условиях невесомости, исследование его устойчивости // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20. № 6. С. 61-64.

7. Абруков С.А., Самсонов В.П. Закономерности конвективного вихреобразования за фронтом пламени при его распространении в трубе // Журнал прикладной механики и технической физики. 1985. № 6. С.68-72.

8. Аввакумов A.M., Галкова Н.Ю., Измоденов Ю.А., Самсонов В.П. Исследование механизма газоимпульсного пылеудаления из фильтрующего слоя. Депонировано в ВИНИТИ. 1988. № 8627.

9. Алексеев М.В., Фатеев И.Г., Самсонов В.П. Закономерности спонтанного образования вихревого диффузионного пламени // Физика горения и взрыва. 1989. Т. 25. № 6. С. 47-50.

10. Самсонов В. П. Исследование структуры пламени в пограничном слое методом осаждения сажи на поверхность // Химическая физика. 1992. Т. 11. № 11. С. 1580-1587.

11. Samsonov V. P. Hydrodynamical method to analyze combustion products composition, concentration and temperature fields ofpyrotechnical fuel flame // Proc. ofthe 26th Int. Conference of ICT. Carlsmhe (FRG), 4-7 July, 1995. P. 12-1 - 12-8.

12. Samsonov V. P. Spontaneous formation of composite symmetrical structure in seat of fire when pyrotechnical fuel is burning. // Proc. of the

3rd Int. Sympos. on Pyrotechn. And Explos. Beijing (China) 12-17 October, 1995. P. 132-138.

13. Samsonov V. P. Polarized-optical method for analysis of fuel ignition and combustion // Proc. of the 27th Int. Conference of ICT. Carlsruhe (FRG), 4-7 July, 1996. P. 15-1 — 15-9.

14. Agenosov D.I., Samsonov E.V., Samsonov V. P. Free convective vortex formation in front of flame spreading along fuel surface // Proc. of the 28th Int. Conference of ICT. Carlsruhe (FRG), 24-27 June, 1997. P. 55-1 -55-8.

15. Пат. RU 2132518 Cl Способ нагрева жидких и газообразных сред и горел очное устройство для его осуществления // Китаев А. И., Самсонов В.П. № 97104966. Решение от 27.06.99 г. Заявл. 31.03.97. Опублик. Бюл. № 18.

16. Пат. RU 2137050 С1 Способ нагрева жидкостей// Китаев АИ., Самсонов В.П. № 98109240. Решение от 10.09.99 г. Заявл. 15.05.98. Опублик. Бюл. №25.

17. Alexeev M.V., Samsonov V. P. Heat-mass transfer and ignition in ring vortex // Proc. ofthe 32nd Int. Conference ofICT. Carlsruhe (FRG), 36 July, 2001. P. 60-1-60-8.

18. Самсонов В.П. Взаимодействие спонтанной вихревой структуры с фронтом пламени // Прикладная механика и техническая физика. 2003. Т. 44, № 1. С. 95-100.

19. Самсонов В.П. Экспериментальное измерение энергии вихревого движения газа при автоколебаниях в свободно-конвективном течении // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29, вып. 2. С. 1-5.

20. Самсонов В.П. Устойчивость спонтанной вихревой структуры в пламени при колебаниях расхода горючей смеси // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39,№ 1. С. 37-43.

21. Самсонов В.П. Влияние перестройки вихревой структуры на теплообмен в «опрокинутом» пламени // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, №2. С. 11-14.

22. Самсонов В.П. Влияние состава горючей смеси на вихревую структуру в пламени // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 3. С. 1-6.

23. Самсонов В.П. Роль вихревой структуры в механизме поддержания тепловых автоколебаний // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29, вып. 10. С. 1-5.

24: Самсонов В.П. Формирование кольцевого вихря в импульсной струе, проникающей через фильтрующий слой // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29, Вып. 15. С. 61-66.

25. Самсонов В.П. Измерение локальных тепловых потоков при теплообмене поверхности с вихревой структурой 7/ Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29, вып. 17. С. 1-5.

26. Самсонов В.П. Формирование вихревых цугов в выхлопной струе продуктов горения при релаксационном распространении пламени в трубе // Теплофизика и аэромеханика. 2003. Т. 10, № 3. С. 439-445.

27. Самсонов В.П. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени.-Томск, Издательство Томского государственного университета, 2003.- Щ С.

28. Самсонов В.П. Метод раздельной визуализации полей скорости и температуры в стационарном вихревом пламени // Химическая физика. 2003. Т. 22, №11. С. 49-53.

Рис.1. Фотографии вихревых структур: 1-3 — в диффузионном пламени при горении пропана; 4 - при горении смеси 50 % пропана с воздухом.

ЯаЛО* 9

6 3

0

100 200 300 Яе

Рис. 2. Условия самопроизвольного формирования стационарной вихревой структуры: 1 - одна; 2 - две; 3 - три и более вихревых ячеек.

\

\ \ +

2 1 +

Я/Яо 1,70

1,60

1,50

1,40

1

л 2

} твй

0

100 200 300 Яе

Рис. 3. Изменение тепловых потоков в вихревой структуре при Иа = 6-104 (график 2) и 11а = 105 (график 1).

Рис. 4. Интерфереционные картины периодической вихревой структуры в продуктах горения при распространении фронта пламени в вертикальной трубе.

¿"„/"„О 0,10] 0,05 0

0 0,04 0,08 0,12

Рис. 5. Изменение нормальной скорости распространения пламени при формировании вихревой структуры.

д<рV)

75

50 25:

0 4 8 12 5Л

Рис. 6. Условия образования вихревых цугов у открытого конца трубы: О - для одиночного кольцевого вихря,© • • - для вихревых цугов, состоящих из двух и трех кольцевых вихрей.

Самсонов Виктор Петрович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ ВИХРЕВЫЕ СТРУКТУРЫ В ПЛАМЕНИ

Подписано в печать 10.02.04. Формат 60x84/16. Усл.печ.л. 1,8.Уч.-изд. л. 1,5. Печать трафаретная. Тираж 130. Заказ № 15.

Оригинал-макет подготовлен в редакционном отделе Издательского центра СурГУ. Тел. 32-50-75.

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

Сургутский государственный университет 628400; Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, ул. Энергетиков, 14. Тел. (3462) 52-47-00, факс (3462) 52-47-29.

»-4119

ВВЕДЕНИЕ.

1. САМООРГАНИЗАЦИЯ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПЛАМЕНИ

ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА.

1.1 Эффекты и механизмы закрутки потока в пламени.

1.2 Классификация самопроизвольных вихревых структур в пламени.

1.3 Программа исследований.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1 Объекты исследований.

2.2 Экспериментальная установка для исследования влияния гравитационных условий.

2.3 Системы и методы визуализации вихревых течений, контроля и измерения параметров среды.

2.3.1 Метод осаждения продуктов горения на контрольную поверхность.

2.3.2 Поляризационно-оптический метод исследования теплоотдачи в пограничном слое.

2.3.3 Метод измерения тепловых потоков при теплообмене «опрокинутого» пламени с поверхностью.

2.3.4 Метод раздельной визуализации температурного поля и поля скоростей в ячейке Хил-Шоу.

2.3.5 Метод измерения энергии вихревого движения газа.

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ПРИ ГОРЕНИИ. . 82 3.1 Горение газа в «опрокинутом» пламени.

3.1.1 Критические условия самопроизвольного образования вихревых структур.

3.1.2 Горение и тепло- массообмен в пограничном слое при наличии вихревой структуры в пламени.

3.2 Распространение пламени в плоской, полуоткрытой трубе

3.2.1 Критические условия вихреобразования.

3.2.2 Влияние вихревой структуры на устойчивость и нормальную скорость пламени.

3.3 Вихреобразование при автоколебательном и релаксационном горении.

3.3.1 «Поющее» пламя.

3.3.2 Автоколебательное распространение пламени по поверхности конденсированного топлива.

3.3.3 Релаксационное горение газа в камере сгорания типа акустического резонатора Гельмгольца.

3.3.4 Влияние граничных условий на формирование импульсного кольцевого вихря.

4. ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ САМООРГАНИЗАЦИИ СТАЦИОНАРНЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР.

4.1 Роль свободной конвекции.

4.2 Сопутствующие факторы в развитии диссипативных вихревых структур.

4.3 Механизмы и модели вихреобразования в пламени.

5. ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ САМООРГАНИЗАЦИИ

КОГЕРЕНТНЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР.

5.1 Генерация аукстических течений пламенем при автоколебательном горении.

5.2 Формирование вихревых структур при колебаниях свободно-конвективного течения в пламени.

5.3 Механизмы образования вихревых цугов при релаксационном горении.

• 6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ВИХРЕВЫХ

СТРУКТУР НА ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕН.

Актуальность проблемы. Принудительная закрутка газа в пламени широко используется в камерах сгорания энергетических установок. Техническая и экономическая целесообразность принудительной закрутки связана с влиянием вихревых течений на интенсивность тепло-массообмена и устойчивость горения. Эффект влияния определяется интенсивностью закрутки. Принудительная закрутка потока технически осуществляется при тангенциальном подводе топлива в камеру сгорания под высоким давлением, с помощью турбин или в рециркуляционных зонах. Получение необходимых ин-тенсивностей закрутки требует усложнения конструкций закручивающих устройств и увеличения расхода топлива.

Известно, что в диссипативных вихревых структурах Рэлей-Бенара, Марангони и др. интенсивность вращательного движения того же порядка величины, что и в течениях с принудительной закруткой. Физические процессы и механизмы вихреобразования в пламени при малых скоростях горения те же, что и при формировании диссипативных вихревых структур. Одной из причин самопроизвольного формирования стационарных вихревых структур в пламени является ускорение потока во фронте пламени, как и на любой другой поверхности разрыва. Другими причинами являются ускоренное движение газа, вызываемое свободной конвекцией и растяжение фронта пламени («стретч-эффект»). Пламя является звеном обратной связи между колебаниями скорости тепловыделения и колебаниями температуры, давления и скорости потока. Автоколебательные режимы горения порождают когерентные вихревые структуры в пламени. Когерентность вихревых структур проявляется в согласованном периодическом изменении размеров отдельных вихревых ячеек и скорости движения газа в них. Влияние физических процессов, приводящих к образованию самопроизвольных вихревых структур в пламени до настоящего времени в научной литературе не рассматривалось.

Стационарные и когерентные вихревые структуры порождают специфический механизм тепло- массопереноса. Он заключается во взаимодействии отдельных вихревых ячеек, передающих по цепочке кинетическую энергию вращательного движения в соседние слои газа. В зависимости от типа развивающейся вихревой структуры размеры вихревых ячеек изменяются от михельсоновской толщины зоны горения до размеров пламени. Глубина проникновения вихревого движения может превышать толщину динамического и температурного пограничного слоев. Этим объясняется существенное влияние вихревой структуры на кинетику химических реакций в пламени и выбор преимущественных направлений теплового потока из зоны пламени в окружающую среду. Сведения о влиянии самопроизвольных вихревых структур на полноту сгорания топлива и интенсивность теплопередачи в камерах сгорания в научной литературе отсутствуют.

Возможность формирования вихревых структур в пламени, обеспечивающих высокую полноту сгорания топлива и эффективную теплоотдачу, привлекательна с точки зрения технических приложений. До настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении не проводились.

Цель диссертационной работы состоит в разработке метода, указывающего основные принципы построения гидродинамических ситуаций, при которых происходит самопроизвольное формирование вихревых структур в пламени; создании комплексной методики экспериментального исследования вихревых течений в пламени; разработке основных теоретических положений, объясняющих физические механизмы, управляющие явлениями вих-реобразования; нахождении новых, научно-обоснованных технологических решений, использующих влияние вихревых структур на горение и теплообмен для разработки высокоэкономичных камер сгорания;

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1. Предложен новый подход в получении вихревых пламён, основанный на создании условий для постоянного или периодического ускорения потока. В рамках этого подхода обнаружены новые формы стационарных и нестационарных вихревых структур, присущие только течениям с фронтальными химическими реакциями. Взаимодействие нестационарной, когерентной вихревой структуры с фронтом пламени обеспечивает обратную связь между изменением скорости горения и параметров потока, что приводит к устойчивым автоколебаниям процесса горения.

2. Экспериментальным путем найдены условия спонтанного образования вихревых структур в пламени в виде областей, ограниченных зависимостями критериев Рэлея и Рейнольдса. Особенностью вихревого течения продуктов горения является существование гистерезиса интенсивности теплообмена и числа вихревых ячеек по критерию Рейнольдса при формировании сложной структуры, состоящей из большого числа вихревых ячеек. При обратном обходе гистерезисной кривой обнаружены бифуркации числа вихревых ячеек.

3. Предложены новые экспериментальные методы исследования полей скорости, температуры и концентрации в вихревых структурах: метод раздельной визуализации температурного поля и поля скоростей в камере Хил-Шоу; метод осаждения продуктов горения на поверхности теплообмена; экспериментальный способ анализа интегральной интерференционной картины в поляризационно-оптическом методе исследования теплоотдачи в пограничном слое; метод вставной гильзы для измерения энергии вихревого движения газа; метод измерения профиля скорости в импульсной струе при формировании кольцевого вихря.

4. Установлено соответствие между динамической перестройкой поля скоростей и поля температур в вихревой структуре. При распространении фронта пламени в трубе и по поверхности конденсированного топлива вихревая структура является причиной автоколебательного режима горения.

5. Обнаружено изменение скорости теплоотдачи из пламени на поверхность теплообмена при переходе от потенциального течения к спонтанной вихревой структуре. Измерениями локальных тепловых потоков установлено, что тепловой поток увеличивается в 1,2 ч- 1,3 раза.

6. Предложены физические механизмы вихреобразования в экспериментально изученных гидродинамических ситуациях. Показано, что самоорганизация вихревой структуры происходит при ускорении потока под влиянием: а) тепловой гравитационной конвекции, б) растяжения фронта пламени, приводящего к аналогу поверхностных, капиллярных явлений и эффекту Маран-гони; в) автоколебаний пламени и релаксационного горения.

7. Предложены новые технологические решения, реализующие способы нагрева жидких и газообразных сред и горелочные устройства для их осуществления.

На защиту выносятся:

1. Разработка нового подхода в гидродинамике пламени, указывающего основные принципы создания граничных условий в камере сгорания, при которых самопроизвольно формируются стационарные и нестационарные вихревые структуры в пламени при малых скоростях потока (Re < 300).

2. Экспериментальные результаты, подтверждающие спонтанное образование вихревых структур при: а) распространении пламени в вертикальном полуоткрытом канале сверху вниз; б) горении газа, вдуваемого на нижнюю плоскость горизонтальной или наклоненной поверхности пластины-теплообменника; в) распространении фронта пламени по поверхности горючего материала; г) автоколебательном горении в трубе-резонаторе с акустической обратной связью; д) экспериментальные результаты, согласно которым перестройка течения в вихревое сопровождается изменением скорости, полноты сгорания топлива и интенсивности теплопередачи на поверхность теплообмена.

3. Комплексная методика экспериментального исследования вихревых течений, позволившая визуализировать поля скоростей, произвести измерения полей температур и концентраций в вихревой структуре, измерить величину тепловых потоков из зоны горения на поверхность теплообмена, установить физические процессы, приводящие к вихреобразованию.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование предлагаемых физических механизмов самоорганизации стационарных и нестационарных вихревых структур в пламени, согласно которому спонтанная самоорганизация вихревых течений вызвана: а) фронтом пламени, создающим стационарные и периодические ускорения потока; б) свободно-конвективной неустойчивостью, в зависимости от ориентации фронта пламени и направления его распространения относительно вектора свободного падения; в) релаксационными процессами подготовки и воспламенения горючей смеси в камере сгорания.

Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обнаруженные типы вихревых структур в пламени дополняют представления о возможных причинах и условиях спонтанного вихреобразования при малых числах Рейнольдса, влиянии вихревой структуры на неустойчивость горения, скорость и полноту сгорания топлива, величину и направление теплового потока из зоны горения. Обнаруженные закономерности формирования и поведения вихревых структур в пламени могут быть использованы для оценки пожаро-взрывоопасности в технологических процессах, режимов устойчивого горения в камерах сгорания топок и двигателей, а также для повышения экономичности камер сгорания.

2. Диссертационная работа выполнялась на кафедре теплофизики Чувашского государственного университета (1975-1988 г.г.), кафедре теоретической физики Чувашского государственного педагогического университета (1988-2000 г.г.), на кафедре экспериментальной физики Сургутского государственного университета (2000-2003 г.г.). Предложенные физические механизмы образования нестационарных вихревых структур применялись в экспериментальных исследованиях горения в невесомости и неустойчивого горения в камерах сгорания, выполнявшихся по хоздоговорной тематике кафедры теплофизики ЧТУ (г. Чебоксары), кафедры теоретической физики ЧГПУ (г. Чебоксары), проблемной лаборатории кафедры теплоэнергетики ЧТУ и госбюджетной тематике кафедры экспериментальной физики СурГУ (г. Сургут). Выполнение работы поддержано грантами Международного Научного Фонда (1994 г.) и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (1996 г.).

Апробация работы. Основные результаты работы, изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-28] и докладывались на 2 Всесоюзном семинаре по гидромеханике и тепло- массообмену в невесомости (Пермь 1981 г.), 5 Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Караганда 1982 г.), 5 Всесоюзной школе-семинаре по механике реагирующих сред (Томск 1984 г.), Международной конференции по горению (Мемориал Зельдовича, Москва 1994 г.), Международной конференции «Физика и техника плазмы» (Минск 1994 г.), 26-32 Международных конференциях по энергетическим материалам (ФРГ, Карлсруэ 1995-2001 г.), 3 Международном Симпозиуме по пиротехнике и взрывчатым веществам (Китай, Пекин 1995 г.), 11 Научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика» (Казань, 1999 г.), Международной конференции по математике и механике (Томск, 2003 г.).

Количество основных работ по диссертации - 28.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 143 наименований. Общий объём составляет 203 страниц, включая 53 рисунков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны основы и принципы метода создания физических условий в камерах сгорания, при которых самопроизвольно формируются стационарные или нестационарные вихревые структуры в пламени при ламинарном течении горючего газа и продуктов горения. Метод построен на основе кинематического истолкования вектора вихря, являющегося мгновенной угловой скоростью вращения главных осей тензора скоростей деформации среды при ускоренном движении частиц в потоке. Метод указывает основные физические явления и граничные условия, способствующие развитию постоянных и периодических во времени ускорений потока горючего газа и продуктов горения. Метод определяет роль фронта пламени, как источника вихревых возмущений и главного элемента гидродинамической системы, создающего сопутствующие физические явления и механизмы обратной связи между колебаниями температуры, скорости и давления. При этом ускоренное движение газа является внутренним свойством системы.

2. Дано обоснование метода экспериментальными результатами и путем оценок параметров вихревых течений при аналитическом решении модельных задач. Показано, что вихреобразование происходит в областях максимального ускорения (торможения) потока.

3. В рамках данного метода экспериментально установлено, что основными физическими явлениями, приводящими к самопроизвольному образованию вихревых структур в пламени являются: естественная тепловая гравитационная конвекция, растяжение пламени, автоколебательное и релаксационное горение. Показано, что энергия вращательного движения газа в вихревой структуре складывается из потенциальной энергии продуктов горения в поле сил тяжести, кинетической энергии горючего газа в газоподводящем тракте и кинетической энергии вследствие теплового расширения.

4. Экспериментами по горению газовых и конденсированных систем в невесомости и нормальных гравитационных условиях показано, что влияние сил тяжести на: а) гидродинамику продуктов горения; б) устойчивость и форму пламени; определяется соотношениями Fr < 0,1 и Fr < 0,5. Области самопроизвольного формирования стационарных вихревых структур ограничены зависимостями чисел Рэлея и Рейнольдса. Экспериментально установлено, что критическое условие самоорганизации вихревых структур при автоколебаниях горения определяется характерным временем свободной конвекции и основной частотой камеры сгорания. Формирование вихревых цугов при релаксационном горении определяется зависимостью безразмерной тепловой мощности от числа Струхаля.

5. Показано, что вихревые структуры в пламени консервативны к изменениям внешних условий. Это проявляется в гистерезисной зависимости числа вихревых ячеек в структуре при изменении скорости потока. Перестройка вихревой структуры сопровождается бифуркацией числа вихревых ячеек. Установлено, что релаксационные процессы в нестационарных вихревых структурах определяют амплитудно-фазовые соотношения между колебаниями скорости и давления.

6. Установлено, что вихревая структура является причиной увеличения интенсивности теплообмена между фронтом пламени, продуктами горения и стенками камеры сгорания в 1,2 1,3 раза. Обнаружена гистерезисная зависимость теплового потока от величины расхода горючего газа.

7. Рассмотрены применения метода для разработки более экономичных технологий сжигания горючего газа в камерах сгорания. Представлены результаты экспериментов, с помощью которых можно осуществлять диагностику процессов импульсного выброса газа из технологических объемов.

8. Разработана комплексная методика экспериментального исследования вихревых структур в пламени в нормальных гравитационных условиях и в невесомости на лабораторном стенде. Разработаны новые методы исследования полей температуры, скорости и концентрации и энергии вращательного движения газа для измерения полноты сгорания топлива и теплового потока.

9. Сформулированы перспективы метода и направления дальнейших исследований самопроизвольного образования вихревых структур в пламени, представляющих научный интерес и имеющих прикладное значение: вихре-образование при горении газа в расширяющихся каналах, двухфазных пламенах, «обращенном» пламени и др.

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

2. Абруков С.А., Самсонов В.П. Интерференционное исследование влияния гравитационных условий на термодинамическое состояние продуктов горения и нормальную скорость пламени // Химическая физика. 1983. №9. С. 1255-1258.

3. Самсонов В.П. Структура диффузионного пламени в невесомости // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20, № 2. С. 55-60.

4. Самсонов В.П. Влияние тепловой гравитационной конвекции на распространение пламени по поверхности топлива // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20, №5. С. 45-50.

5. Самсонов В.П. Распространение пламени в импульсном поле ускорений // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20, № 6. С. 58-61.

6. Абруков С.А., Кидин Н.И., Самсонов В.П. Закономерности распространения пламени в трубе в условиях невесомости, исследование его устойчивости // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20, № 6. С. 61-64.

7. Абруков С.А., Самсонов В.П. Закономерности конвективного вихреобразования за фронтом пламени при его распространении в трубе // Журнал прикладной механики и технической физики. 1985. № 6. С. 68-72.

8. Аввакумов A.M., Галкова Н.Ю., Измоденов Ю.А.,Самсонов В.П. Исследование механизма газоимпульсного пылеудаления из фильтрующего слоя. Депонировано в ВИНИТИ. 1988. № 8627.

9. Алексеев М.В., Фатеев И.Г., Самсонов В.П. Закономерности спонтанного образования вихревого диффузионного пламени // Физика горения и взрыва. 1989. Т. 25, № 6. С. 47-50.

10. Самсонов В.П. Исследование структуры пламени в пограничном слое методом осаждения сажи на поверхность // Химическая физика. 1992. Т. 11, № 11. С. 1580-1587.

11. Samsonov V. P. Hydrodynamical method to analyze combustion products composition, concentration and temperature fields of pyrotechnical fuel flame // Proc. of the 26th Int. Conference of ICT. Carlsruhe (FRG), 4-7 July, 1995. P. 12-1 12-8.

12. Samsonov V. P. Spontaneous formation of composite symmetrical structure in seat of fire when pyrotechnical fuel is burning // Proc. of the 3rd Int. Sym-pos. on Pyrotechn. And Explos. Beijing (China) 12-17 October, 1995. P. 132-138.

13. Samsonov V. P. Polarized-optical method for analysis of fuel ignition and combustion // Proc. of the 27th Int. Conference of ICT. Carlsruhe (FRG), 4-7 July, 1996. P. 15-1 15-9.

14. Agenosov D.I., Samsonov E.V., Samsonov V. P. Free convective vortex formation in front of flame spreading along fuel surface // Proc. of the 28th Int. Conference of ICT. Carlsruhe (FRG), 24-27 June, 1997. P. 55-1 55-8.

15. Пат. RU 2132518 CI Способ нагрева жидких и газообразных сред и горелочное устройство для его осуществления // Китаев А.И., Самсонов В.П. № 97104966. Решение от 27.06.99 г. Заявл. 31.03.97. Опублик. Бюл. № 18.

16. Пат. RU 2137050 С1 Способ нагрева жидкостей // Китаев А.И., Самсонов В.П. № 98109240. Решение от 10.09.99 г. Заявл. 15.05.98. Опублик. Бюл. № 25.

17. Alexeev M.V., Samsonov V. P. Heat-mass transfer and ignition in ring vortex // Proc. of the 32nd Int. Conference of ICT. Carlsruhe (FRG), 3-6 July, 2001. P. 60-1 -60-8.

18. Самсонов В.П. Взаимодействие спонтанной вихревой структуры с фронтом пламени // Прикладная механика и техническая физика. 2003. Т. 44, № 1.С. 95-100.

19. Самсонов В.П. Экспериментальное измерение энергии вихревого движения газа при автоколебаниях в свободно-конвективном течении // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29, вып. 2. С. 1-5.

20. Самсонов В.П. Устойчивость спонтанной вихревой структуры в пламени при колебаниях расхода горючей смеси // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 1.С. 37-43.

21. Самсонов В.П. Влияние перестройки вихревой структуры на теплообмен в «опрокинутом» пламени II Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 2. С. 11-14.

22. Самсонов В.П. Влияние состава горючей смеси на вихревую структуру в пламени. // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 3. С. 1-6.

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

24. Самсонов В.П. Формирование кольцевого вихря в импульсной струе, проникающей через фильтрующий слой // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29, Вып. 15. С.61-66.

25. Самсонов В.П. Измерение локальных тепловых потоков при теплообмене поверхности с вихревой структурой // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29, Вып. 18. С. 70-74.

26. Самсонов В.П. Метод раздельной визуализации полей скорости и температуры в стационарном вихревом пламени. // Химическая физика. 2003. Т. 22, № п. С. 57-61.

27. Самсонов В.П. Формирование вихревых цугов в выхлопной струе продуктов горения при релаксационном распространении пламени в трубе. // Теплофизика и аэромеханика. 2003. Т. 10, № 3. С. 35-42.

28. Самсонов В.П. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени. -Томск, Издательство Томского государственного университета, 2003. 138 с.

29. Вулис JI.A., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л.: Энергия, 1978. -256 с.

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

31. Натанзон М.С., Меньшикова О.М. Бифуркации стационарных режимов горения и их влияние на возникновение высокочастотных колебаний в камерах сгорания // Физика горения и взрыва. 1992. Т. 28, № 4. С. 10-18.

32. Дубинкин Б.Н., Натанзон М.С., Чалиян А.Э. О двух режимах горения в камере сгорания с зоной рециркуляции // Физика горения и взрыва. 1978. Т. 14, №6. С. 3-11.

33. Abdalla A.Y., Ali В.В., Bradly Derek, Chin S.B. Stratiefied combustion in recirculating flow // Combustion and Flame. 1981. V. 43, № 2. P. 131-143.

34. Oppenheim A.K., Ghoniem A.F. Aerodynamic features of turbulent flames //AIAA 21st Aerospace Sciences Meeting. Reno, Nevada. 1983. P. 1-10.

35. Oran E.S. Numerical simulation of unsteady combustion // Int. Conference on Combustion. Moscow. - 1994. P. 228-247.

36. Шарыгин М.П. Влияние вихревых зон на интенсивность процессов пылеулавливания и горения // Теоретические основы химических технологий. 1992. Т. 26, № 3. С. 347-353.

37. Сухинин С.В., Ахмадеев В.Ф. Автоколебания в газовой полости ре> активного двигателя твердого топлива // Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37, № 1.С. 42-52.

38. Сухинин С.В., Ахмадеев В.Ф. Колебания и вихри в камерах сгорания // Известия вузов. Физика. 1994. № 4. С. 111-118.

39. Быковский Ф.А., Ведерников Е.Ф. Течение в вихревой, плоскорадиальной камере. 2. Вихревая структура течения // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41, № 1. С. 41-49.

40. Булатова Е.В., Десятков Г. А. Динамика и горение углеродной частицы в поле высокотемпературного вихря // Сибирск. физ.-техн. Журнал. 1992. №5. С. 105-108.

41. Nishida О. Exhaust characteristics of soot from turbulent swirling flame // Bull. Mar. Eng. Soc. Jap. 1987. V. 15, № 1. P. 10-18.

42. Воронцов C.C., Забайкин B.A., Смоголев A.A., Третьяков П.К. Вихревые структуры при горении водорода в сверхзвуковой спутной воздушной струе // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 2. С. 3-8.

43. Escudie D. Effect of density decrease upon the passage of vortices through a laminar flame front // Arch. Combust. 1990. V. 10, № 1-4. P. 173-183.

44. Lee S.L., Garris C.A. The Formation of Multiple Fire Whirls // 12th Symp. (Intern.) on Combustion. Pittsburgh Combust. Inst. - 1969. P. 265-277.

45. Garris C.A., Lee S.L. Theory for Multiple Fire-Whirl Formation // 14th Symp. (Intern.) on Combustion. Pittsburgh Combust. Inst. - 1972. P. 1063-1075.

46. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: в 10 т. М.: Наука, 1988. т. 6.-736 с.

47. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Устойчивость конвективных течений. М.: Наука. 1989. - 578 с.

48. Скорняков Г.В. Самоорганизация и преобразование тепла в работу // Журн. техн. физики. 1996. Т. 65, вып. 1. С. 35-46.

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

50. Дроздов С.М. Хаотические и периодические решения задач конвекции жидкости в замкнутом канале // Известия РАН МЖГ. 1992. № 6. С. 3642.

51. Маркштейн Дж. Г. Нестационарное распространение пламени. М.: Мир, 1968.-438 с.

52. Бабкин B.C., Выхристюк А.Я., Кривулин В.Н. и др. Конвективная неустойчивость сферических пламен // Arch. Combust. 1984. V. 4, № 4. P. 321-337.

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

54. Гришин A.M., Зеленский Е.Е. О релаксационных колебаниях при горении реагирующих веществ // В кн. Числ. мет. мех. сплошной среды. Новосибирск. 1974. Т. 5, № 4. С. 14-25.

55. Гришин A.M., Берцун В.Н., Агранат В.М. Исследование диффузионно-тепловой неустойчивости ламинарных пламен // Доклады АН СССР. 1977. Т. 235, № 3. С. 550-553.

56. Агранат В.М., Берцун В.Н., Гришин A.M. Анализ диффузионно-тепловой неустойчивости ламинарных пламен // В кн. Числ. мет. мех. сплошной среды. Новосибирск. 1977. Т. 8, № 4. С. 5-19.

57. Агранат В.М., Берцун В.Н., Гришин A.M. Диффузионно-тепловая неустойчивость ламинарных пламен в плоских и цилиндрических трубах // В кн. Числ. мет. мех. сплошной среды. Новосибирск. 1979. Т. 10, № 2. С. 5-16.

58. Алдушин А.П., Каспарян С.Г. О тепло-диффузионной неустойчивости стационарного фронта горения // Доклады АН СССР. 1979. Т. 244, № 1. С. 67-70.

59. Orloff L., de Ris J. Cellular and turbulent ceiling fires // Combustion and Flame. 1972. V. 18, P. 389-401.

60. De Ris J., Orloff L. The role of buoyancy direction and radiation in turbulent diffusion flames on surfaces // Proc. Of 15th Symp. (Int.) on Combustion. Pittsburgh, Comb. Inst. 1974. P. 175-182.

61. Русаков C.B., Русакова О.Л. Тарунин Е.Л. Влияние теплового излучения границ области на конвекцию газа при подогреве снизу // Изв. РАН. Механика жидкостей и газа. 1992. № 5. С. 60-67.

62. Soma S., Saito K. Reconstruction of fire whirls using scale models // Combust, and Flame. 1991. V. 86, № 3. P. 269-284.

63. Бабкин B.C., Вежба И., Карим Г.А. Явление концентрации энергии в волнах горения // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, № 1. С. 3-11.

64. Замащиков В.В. Газовые вращающиеся пламена // Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 2. С. 9-11.

65. Коржавин А.А., Бунев В.А., Намятов И.Г., Бабкин B.C. Спиновый режим газофазного горения конденсированного топлива // Доклады РАН. 2000. Т. 375. № 3. С. 355-357.

66. Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры. М.: Наука, Физматлит, 2001. - 496 с.

67. Иванов Н.А. Спиралевидный вихрь на границе двух слоев жидкости с разными плотностями //Гидротехн. строительство. 1987. № 8. С. 34-36.

68. Lewis D.G. Combustion in a centrifugal-force field // Proc. Of 13th Symp. (Int.) on Combustion. Pittsburgh, Comb. Inst. 1971. P. 625-629.

69. Кривулин B.H., Ловачев Л.А., Баратов A.H. и др. Исследование влияния ускорения на концентрационные пределы воспламенения // Горение и взрыв. М.: Наука. 1972. С. 296-298.

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

71. Бабкин B.C., Бадалян A.M., Борисенко А.В. и др. Гашение пламени во вращающемся газе // Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18, № 3. С. 17-20.

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

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

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

75. Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. М.: Гостехиздат, 1952. - 279 с.

76. Гололобов И.М., Грановский Э.А., Гостинцев Ю.А. О двух режимах горения на пределе распространения светящегося пламени // Физика горения и взрыва. 1981. Т. 17, № 1.С. 28-33.

77. Гололобов И.М., Грановский Э.А., Гостинцев Ю.А. Нестационарные явления при распространении пламени распада ацетилена в околопредельной области //Химическая физика. 1983. № 10. С. 1421-1430.

78. Копылов Г.Г., Махвиладзде Г.М. Влияние ускорения внешней силы на развитие очага горения в закрытом сосуде // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19, №4. С. 4-7.

79. Гудкович В.Н., Грановский Э.А., Штессель Э.А. Газодинамическая структура пламен вблизи пределов распространения пламени // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19, № 5. С. 42-46.

80. Markstein G.H. A shock-tube study of flame front pressure wave interaction // Proc. Of 6th Symp. (Int.) on Combustion. Reinhold. 1957. P. 387-395.

81. Markstein G.H. Flow disturbances induced near a slightly wavy contact surface, or flame front, traversed by a shock wavy // J. Aero Sci. 1957. V. 24, P. 238-247.

82. Кондрашков Ю.А., Томилин В.П., Шевяков Г.Г. Размеры зон воспламенения при выбросах горючих газов из прямоугольных и кольцевых отверстий // Физика горения и взрыва. 1986. Т. 22, № 5. С. 19-22.

83. Петров П.А. Механизм образования вихревых колец // Известия АН СССР МЖГ. 1973. № 2. С. 19-26.

84. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: Наука, 1973. - 416 с.

85. Аверсон А.Э., Алексеев М.В., Борисов В.П. Вихреобразование при воздействии лазерного излучения на полимеры // Журнал прикладной механики и технической физики. 1984. № 5. С. 64-101.

86. Алексеев М.В., Фатеев И.Г. Использование процессов воспламенения и погасания полиметилметакрилата под действием мощного лазерного импульса // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32. № 5. С. 30-33.

87. По дымов В.Н. Релаксационные колебания пламени в канале с одномерным течением // В кн.: Вибрационное горение в некоторых модельных устройствах. Казань: Изд-во. Каз. ГУ, 1971. С. 19-29.

88. Афанасьев В.В., Абруков С.А., Кидин Н.И., Кузьмин А.К. Исследование условий возбуждения ламинарного кинетического поющего пламени // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31, № 4. С. 34-39.

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

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

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

92. Левич В.Г. К вопросу об устойчивости фронта пламени при медленном горении жидкостей // Доклады АН СССР. 1956. Т. 109, № 5. С. 975-978.

93. Pergament H.S., Fishburne E.S. Influence of buoyancy on turbulent hydrogen/air diffusion flames // Combust. Sci. and Technol. 1974. V. 9, № 3-4. P. 127-137.

94. Magee R.S., Mc Alevy R.F. The mechanism of flame spread // Journ. Fire and Flammability. 1971. V. 2, № 3. P. 271-297.

95. Hirano F., Noreikis S.E., Waterman Т.Е. Measured velocity and temperature profiles near flames spreading over thin combustible solid // Combust, and Flame. 1974. V. 23, № 1. P. 83-96.

96. Kashiwagi Т., Newman D.L. Flame spread over a inclined thin fuel surface // Combust, and Flame. 1976. V. 26, № 2. P. 163-177.

97. Hirano F., Noreikis S.E., Waterman Т.Е. Postulations of flame spread mechanisms // Combust, and Flame. 1974. V. 22, № 3. P. 353-363.

98. Sibulkin M., Lee S.K. Flame propagation measurements and energy feedback analisis for burning cylinders // Combust. Sci. and Technol. 1974. V. 9, №3-4. P. 137-147.

99. Sibulkin M., Ketelhut W., Feldman S. Effect of orientation and external flow velocity on flame spreading over thermally thin paper strips // Combust. Sci. and Technol. 1974. V. 9, № 1-2. P. 75-77.

100. Lavid M., Berlad A.L. Gravitational effects on chemically reacting laminar boundary layer flows over a horizontal flat plate // Proc. Of 16th Symp. (Int.) on Combustion. Pittsburgh, Comb. Inst. 1976. P. 1557-1568.

101. Мелихов А.С., Потякин В.И., Рыжов A.M. и др. О предельных режимах горения полимеров в отсутствие свободной конвекции // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19, № 4. С. 27-30.

102. Алексеев М.В. Экспериментальное исследование механизма распространения пламени по поверхности твердых топлив во встречном потоке газа: Диссерт. на соиск. уч. степени канд. физ.-мат. наук. Чебоксары. 1980. - 138 с.

103. Рыбанин С.С. К теории пределов распространения пламени по поверхности горючего материала // Доклады АН СССР. 1982. Т. 266, № 4. С. 915-918.

104. Sibulkin М., Hansen A.G. Experimental study of flame spreading over a horizontal fuel surface // Combust. Sci. and Technol. 1975. V. 10, № 1-2. P. 8592.

105. Махвиладзе Г.М., Щербак С.Б. Численный расчет газодинамических процессов, сопровождающих горение конденсированных веществ // Физика горения и взрыва. 1980. Т. 16, № 4. С. 30-37.

106. Гришин A.M., Грузин А.Д., Зверев В.Г. Тепломассоперенос и распространение горящих частиц в приземном слое атмосферы при верховых лесных пожарах // Физика горения и взрыва. 1981. Т. 17, № 4. С. 78-84.

107. Гришин A.M. Исследование распространения верховых лесных пожаров // Высокотемпературные газодинамические ударные трубы и ударные волны. Материалы Международной школы-семинара. Минск. 1982. С. 67-73.

108. Гришин A.M., Грузин А.Д., Зверев В.Г. Математическое моделирование процесса распространения верховых лесных пожаров материала // Доклады АН СССР. 1983. Т. 269, № 4. С. 822-826.

109. Гришин A.M., Грузин А.Д. Математическое моделирование теп-ломассопереноса в приземном слое атмосферы при распространении лесных пожаров // Численные методы механики сплошной среды. Новосибирск.1983. Т. 14, №6. С. 31-57.

110. Братухин Ю.К., Макаров С.О. О конвективной устойчивости жидкости в шаровой полости // Известия РАН МЖГ. 1992. № 3. С. 24-28.

111. Гореликов А.В., Кравченко В.А., Сухачева И.Н. Численное исследование стационарной естественной конвекции холодной воды в полукруглой полости // Сборник научных трудов. Вып. 4. Сургут. 1998. С. 78-83.

112. Chen J.C., Huang Y.C. Thermocapillary flows of surface melting due to a moving heat flux // Int. Journ. Heat Mass Transfer. 1990. V.34, № 3. P. 663671.

113. Кардашов В.А. Синтетические клеи. M.: Химия, 1976. - 720 с.

114. Штессель Э.А. О влиянии естественной конвекции на пределы распространения пламени // Физика горения и взрыва. 1979. Т. 15, № 3. С. 10-15.

115. Розловский А.И. Основы техники взрывоопасности при работе с горючими парами и газами. М.: Химия, 1980. - 376 с.

116. Саламандра Т.Д. Фотографические методы исследования быстро-протекающих процессов. М.: Наука, 1974. - 200 с.

117. Васильев Л.А. Теневые методы. М.: Наука, 1968. - 400 с.

118. Абруков С.А. Теневые и интерференционные методы исследования оптических неоднородностей. Казань. Казанский университет, 1962. -83 с.

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

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

121. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. - 524 с.

122. Фристром P.M., Вестенберг А.А. Структура пламени. М.: Металлургия, 1969. - 364 с.

123. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. и др. Физические величины: Справочник // Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. и др. М.: Энергоатомиздат, 1991.

124. Drake М.С., Blint R.J. Thermal NOx in Stretched Laminar Opposed-Flow Diffusion Flames with CO/H2/N2 Fuel // Combustion and flame. 1989. V. 76. № 2. P. 151-167.

125. Чучкалов И.А., Абруков С.А. Вибрационное распространение пламени. Чебоксары.: Изд-во. ЧТУ, 1975.

126. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: в 10 т. М.: Физматлит, 2001. т. 1. Механика. - 216 с.

127. Козлов В.В,, Грек Г.Р., Лефдаль Л.Л., Чернорай В.Г. Роль продольных локализованных структур в процессе перехода к турбулентности в пограничных слоях и струях // Прикладная механика и техническая физика. 2002. Т. 43, № 2. С. 62-76.

128. Раушенбах Б.В. Об одном замечании, связанном с термическим возбуждением звука // Докл. АН СССР. 1953. Т. 91, № 4. С. 749-752.

129. Ловачев J1.A. Теория пределов распространения пламени в газах // Докл. АН СССР. 1970. Т. 193, № 3. С. 634-637.

130. Зельдович Я.Б. Теория предела распространения тихого пламени // ЖЭТФ. 1941. Т. 11, Вып. 1.С. 159-168.

131. Бабкин B.C., Хлевной С.С. О конвективном механизме гашения пламени летучих ВВ в поле массовых сил // Физика горения и взрыва. 1982. Т. 8, № 4. С. 597-599.

132. Штессель Э.А., Мержанов А.Г., Максимов Ю.М. и др. Влияние естественной конвекции на горение летучих взрывчатых веществ в поле массовых сил // Физика горения и взрыва. 1973. Т. 9, № 6. С. 855-862.

133. Махвиладзе Г.М., Мелихов В.И., Роберте Дж. П., Сивашинский Г.И. Влияние скоростной неравновесности фаз на распадание и погасание пламени // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32, № 3. С. 11-23.

134. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977. - 360 с.

135. Гришин A.M., Грузин А.Д., Зверев В.Г. Математическое моделирование процесса распространения верховых лесных пожаров // Докл. АН СССР. 1983. Т. 269, № 4. С. 822-826.

136. Гришин A.M., Грузин А.Д., Капустин В.А. Смешанная конвекция над нагретой поверхностью при наличии вдува // Журнал прикладной механики и технической физики. 1980. № 1. С. 57-65.

137. Финяков С.В. Структура поверхности горения пороха в условиях обдува // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, № 2. С. 62-74.

138. Гудзовский А.В. Автоколебательные режимы свободной конвекции в полости с локальным теплообменом на горизонтальных сторонах //

139. Свободная конвекция Т. 2. Труды 2-ой Всероссийской национальной конференции по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ. 1994. С. 61-64.

140. Михеев В.П., Медников Ю.П. Сжигание природного газа. Д.: Недра, 1975.- 160 с.

141. Рагозин А.С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом топливе. Д.: Недра, 1982. - 236 с.

142. Юдаев Б.Е. Техническая термодинамика. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.