Влияние постоянного электрического поля на структуру и эмиссионные свойства ламинарных диффузионных пламен тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Улыбышев Константин Евгеньевич

ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ И ЭМИССИОННОЫЕ СВОЙСТВА ЛАМИНАРНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ ПЛАМЕН

( 01.02.05 -механика жидкости, газа и плазмы)

Научный руководитель Доктор физико-математических наук, профессор Ватажин Александр Бетщанович

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1998

Работа выполнена в ГНЦ Центральный Институт Авиационного Моторостроения им. П. И. Баранова

Научный руководитель -доктор физико-математических наук, профессор

Ватажин А. Б.

Официальные оппонента -доктор физико-математических наук Кидин Н. И.

-доктор физико-математических наук Полянский В. А.

Ведущая организация -Институт химической физики им. Н. Н. Семенова

-7р

Защита состоится 23. (О _1998 г. в__£_£_часов на заседании

диссертационного совета Д053.05.02 при МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: Москва, Воробьевы горы, МГУ .механико-математический факультет, аудитория 24 ■

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Механико-математического факультета МГУ (главное здание, 14 этаж)

Автореферат разослан ! - О^) 1998 года

Ученый секретарь

диссертационного совета ___Л В. П. Карликов

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование нетрадиционных способов управления пламенами представляет на сегодняшний день молодую и бурно развивающуюся область науки о горении. Одним из направлений работ в данной области является изучение вопросов влияния на пламена электрических полей.

В последние годы, в связи с проводимой во всем мире борьбой за экологическую чистоту энергетических установок на углеводородном топливе, стали изыскиваться различные возможности использования нетрадиционных методов для уменьшения выхода образующихся при горении загрязняющих веществ. Нами были получены первые экспериментальные результаты, свидетельствующие о снижении индекса эмиссии окислов азота в ламинарном диффузионном углеводородном пламени при отрицательном потенциале горелка Экспериментальное рассмотрение эмиссионных характеристик пламен в электрическом поле, построение физической и математической модели рассматриваемого явления и численное моделирование процесса являются необходимыми составляющими данного исследования, целью которого является правильное понимание физико-химических процессов в пламени при воздействии на него электрических полей.

Указанные выше задачи составляют предмет рассмотрения настоящей диссертации.

Целью работы является:

- Проведите экспериментов по изучению влияния электрического поля на ламинарные пламена различных газов при различных скоростях истечения топлива га сопла горелки, выяснение степени влияния различных факторов (сорт топлива, гидродинамические параметры и т. д) изменение эмиссионных характеристик пламени при воздействии на него электрического поля.

- Исследование электрических эффектов в пламени при отсутствии внешнего поля (нахождение максимальных концешраций заряженных частиц различного сорта, собственных электрических полей и т. д.).

- Разработка упрощенной модели ламинарного диффузионного факела при отсутствии электрического поля, позволяющей с достаточной точностью определить его эмиссионные характеристики и распределения основных параметров (полей скоростей, температуры, концентраций основных компонентов смеси).

- Разработка электрогазодинамической (ЭГД) модели для определения концентраций заряженных частиц, электрических полей и действующих на газ массовых сил в пламени при наличии внешнего электрического поля.

- Создание замкнутой физической и математической модели ламинарного диффузионного факела при наличии электрического поля, учитывающей влияние ЭГД сил на гидродинамику пламени, с целью определения характеристик пламени и выхода окислов азота.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1.Проведены экспериментальные исследования геометрических и эмиссионных характеристик ламинарных диффузионных углеводородных пламен различных газов в электрическом поле различной ориентации.

2. Рассмотрена электрическая структура ламинарного фронта горения однородной метановоздушной смеси. Найдены распределения ионных концентраций и собственного электрического поля пламени с учетом реальной химической кинетики образования и рекомбинации заряженных частиц.

3. Разработана модель ламинарного диффузионного факела при отсутствии электрического поля, основанная на полных осесимметричных уравнениях Навье-Стокса для гидродинамики течения, модели Бурке-Шумана для определения полей температуры и концентраций топлива, окислителя и продуктов сгорания, а также модели тонкой зоны горения (flame-let model) с учетом реальной химической кинетики для определения скоростей образования заряженных частиц и окислов азота

4. Разработана математическая модель и методика расчета распределения концентраций заряженных частиц и индуцированных электрических полей в пламени при воздействии на него внешнего электрического поля.

5. Создана модель ламинарного диффузионного пламени в электрическом поле с учетом изменения его гидродинамики под воздействием ЭГД -сил. На основании полученной модели проведено численное моделирование ламинарного диффузионного метанового пламени, показывающее уменьшение индекса эмиссии N0 при отрицательной полярности горелки, что находится в соответствии с экспериментальными результатами.

6. Проведены оценки влияния излучения на ламинарный диффузионный факел. Показано, что суммарная величина радиационных потерь в пламени также изменяется при наложении внешнего поля.

Научная новизна работы заключается в том, что:

а) Экспериментально показано, что наложение электрического поля на ламинарные диффузионные пламена существенно влияет на их эмиссионные характеристики. Проведены зондовые измерения распределения потенциала ламинарного диффузионного пламени во внешнем электрическом поле. Продемонстрирована возможность ликвидации срыва пламени при подаче на горелку отрицательного потенциала.

б) Изучена структура зоны резкого изменения концентрации заряженных частиц во фронте ламинарного горения однородной топливовоздушной смеси при учете собственных электрических полей на основе реальной кинетики горения и новообразования.

в) Разработана физическая и математическая модель ламинарного диффузионного факела в электрическом поле и на ее основе с помощью теоретических и расчетных исследований продемонстрирована возможность путем наложения электрического поля снижения выхода окислов азота и ликвидации срыва пламени при подаче на горелку отрицательного потенциала.

Обоснованность. Правильность и достоверность полученных научных выводов подтверждены экспериментально на установках, разработанных и созданных в ЦИАМ.

Практическая ценность.

1. Указаны способы управления эмиссионными характеристиками и срывом ламинарных диффузионных пламен при затратах энергии, много меньших тепловой мощности факела.

2. Создана физическая и математическая модель ламинарного диффузионного углеводородного пламени во внешнем электрическом поле.

Основные результаты опубликованы в работах [1-5]. Объем и структура диссертации. Диссертация 00010111 из введения, четырех глав, выводов, изложенных на 67 страницах, содержит 27 рисунков, список

литературы из 42 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Известно (Лаугон, Вайнберг) что пламена являются источниками заряженных частиц В углеводородных пламенах этими частицами являются положительные ионы и свободные электроны, которые образуются из свободных радикалов в результате хемоиоинизационных реакций и максимальные концентрации которых достигают Ю10-И012 см"3. Значительное, почти на три порядка, различие в коэффициентах переноса для положительных ионов и электронов приводит к тому, что при наложении внешнего поля электроны уходят на окружающие поверхности, а в пламени образуется распределенный объемный положительный заряд. Во введении дается обзор многочисленных работ, посвященных анализу взаимодействия электрического поля с этим зарядом. В этих работах рассматриваются различные аспекты воздействия на пламена стационарных и нестационарных, сильных и слабых электрических полей, проведена классификация течений по степени вызываемого полем разделения заряда, типу горелочных устройств и т. д.

На основе анализа имеющихся работ в проблеме, которую можно условно назвать «электричество и горение» можно выделить следующие направления:

1. Ионная структура пламени в отсутствие электрического поля.

2. Влияние постоянных и переменных электрических полей на гидродинамику пламени.

3. Влияние атектрического поля на образование и осаждение сажи.

4. Воздействие электрических разрядов на пламя.

5. Влияния поля на образование при горении вредных компонентов.

Последнее направление, которое начало формироваться в результате

наших экспериментальных и теоретических исследований, представляет большой научный и практический интерес. Полученные в этом направлении результаты и составляют предмет настоящей диссертации.

Первая глава работы описанию методики и результатов экспериментальных исследований влияния электрического поля на эмиссионные характеристики ламинарных диффузионных пламен. Проведен анализ результатов измерений зависимости индекса эмиссии окислов азота от величины и знака потенциала горелки. В экспериментах использовались горелки различных диаметров от (1=0.8 мм до с!=6мм при постоянном массовом расходе топлива, равном 2 мг/сек, что соответствует скоростям истечения газа из сопла горелки от 0.1 до б м/с. Применялись как чистые метан и пропан, так и богатая смесь указанных газов с воздухом в соотношении, сохраняющем диффузионный характер процесса горения. В качестве основных результатов можно отметить следующие. При подаче на горелку отрицательного потенциала максимальное снижение индекса эмиссии окислов азота (в зависимости от условий эксперимента) составляет от 12% до 30% от значения при отсутствии электрического поля. Изменение эмиссионных характеристик сопровождается деформацией факела, при которой он укорачивается и утолщается, «прижимаясь» к горелке. При этом величина падения индекса эмиссии зависит в основном от величины деформации пламени электрическим полем (которая, в свою очередь, определяется скоростью истечения топлива из сопла горелки) и практически не зависит от сорта используемого топлива. При положительной полярности горелки заметного изменения выхода окислов азота и формы факела не происходит, однако эксперимент дают значительное возрастание скорости подъема газа в верхней части пламени.

Интересным результатом, имеющим важное практическое значение, является обнаруженная возможность ликвидации срыва пламени путем подачи на горелку отрицательного потенциала. В первой главе также описаны экспериментальные результаты по влиянию электрического поля на сажеобразование и индекс эмиссии СО, однако теоретическое рассмотрение данных явлений выходит за рамки настоящей работы.

В качестве возможных причин указанного влияния поля на эмиссию окислов азота выдвигалось множество гипотез. В их числе были выдвинуты предположение о прямом влиянии поля на кинетику горения через перераспределение концентраций заряженных частиц или изменение значений констант химических реакций, а также предположение о падении температуры газа вблизи зоны горения вследствие увеличения излучения сажистой фракции. Проведенные в последующих главах теоретические и численные исследования дают основание полагать, что наиболее вероятным механизмом влияния поля на эмиссионные характеристики ламинарных диффузионных пламен является изменение скорости диффузионного смешения топлива и окислителя из-за влияние ЭГД-сил на поле течения.

Вторая глава посвящена рассмотрению структуры зоны горения однородной метановоздушной смеси с учетом реакций образования заряженных частиц и собственного электрического поля. Задача о распространении плоского фронта пламени по смеси топлива и окислителя является классической задачей теории горения. В зависимости от выбранных моделей термодинамических свойств среды и кинетической схемы окисления топлива находятся различные значения скорости распространения фронта пламени и распределения концентраций компонентов. Новизна настоящей работы состоит в учете собственного электрического поля, реакций образования и рекомбинации заряженных частиц. Полученные значения ионных концентраций и суммарной скорости образования заряда в пламени хорошо согласуются с приведенными в различных работах экспериментальными данными. Показано, что влияние реакций с участием заряженных частиц на распределения концентраций нейтральных компонентов и нормальную скорость распространения пламени пренебрежимо мало. Таким

образом, электрическое поле не влияет на основные химические процессы в тонкой зоне горения, но обуславливает возникновение объемных электрических сил в основной зоне пламени. Проведенные на основании расчетных данных оценки максимального влияния поля на гидродинамику пламени свидетельствуют о возможности возникновения под действием ЭГД сил значительных индуцированных скоростей газа, коренным образом перестраивающих все течение. Для диффузионных факелов, в которых основные параметр! существенно неодномерны, перестройка течения должна проявляться в изменении формы пламени и связанных с ней распределений концентраций основных компонентов смеси и их градиентов, изменяя скорость смешения топлива с окислителем и, соответственно, объемную скорость выгорания топлива и степень близости химического состава смеси к равновесному. Данные изменения и могут являться причиной наблюдаемого изменения эмиссионных свойств факелов во внешнем электрическом поле.

Для проверки указанной гипотезы необходима физическая и математическая модель, позволяющая рассчитать основные характеристики ламинарного диффузионного факела в электрических полях. Данная модель должна включать в себя двумерные гидродинамические уравнения для описания поля скоростей газа, уравнения переноса для компонентов смеси с учетом реальной кинетики горения топлива и включением в нее реакций образования заряженных частиц, и элекродинамические уравнения переноса заряда и определения самос огласованного электрического поля, на основе которых находится распределение действующей на газ объемной электрической силы.

Задача расчета ламинарного диффузионного факела достаточно сложна и ^ без учета внешнего электрического поля. В настоящее время существует несколько подходов к решению данной задачи. Работ, в которых использовалась самая общая постановка, на сегодняшний день довольно мало, поскольку численное решение подобных систем находится на пределе возможностей современной вычислительной техники. С целью уменьшения количества уравнений системы в пигературе был разработан ряд приближенных методов расчета, опирающихся на некоторые упрощающие предположения (бесконечно малая толщина зоны реакции,

близость состава смеси к равновесному и др.). Однако данные модели не дают всей необходимой информации для расчета образования ЫОх и положительных ионов, и в настоящей работе был разработан новый метод, в котором распределение основных параметров (температура, плотность, концентрации топлива, окислителя и продуктов сгорания) находятся по упрощенной методике с использованием приближения бесконечно тонкой зоны реакции, а реальная кинетика и конечная толщина зоны горения учитываются в приближении, разработанном В. Р Кузнецовым и Р. В. Билджером для турбулентных пламен и заключающемся в сведении двумерных уравнений переноса компонентов смеси к обыкновенным дифференциальным уравнениям второго порядка. Для расчета гидродинамики течения используется полная осесимметричная система уравнений Навье-Стокса. Подробному описанию использованных при создании модели предположений, полученной системы уравнений, метода решения и полученных результатов посвящена третья глава работы.

В главе 4 рассматривается модель ламинарного диффузионного пламени в электрическом поле. Рассмотренная в третьей главе система уравнений дополняется уравнением переноса ионов и уравнением Пуассона для самосогласованного электрического поля, в уравнения гидродинамики при этом добавляется член, описывающий действующие на газ объемные электрические силы. Для интегрирования уравнения переноса ионов используется метод крупных частиц. Расчет метанового факела при потенциале горелки , равном -10 кВ, показывают заметное сокращение длины факела и снижение индекса эмиссии окислов азота, аналогичные наблюдаемым в экспериментах. Данный результат подтверждает гипотезу о механизме влияния электрического поля на эмиссию окислов азота через изменение формы пламени. В главе проводится подробное объяснение эффекта. Утолщение пламени в корневой части и связанное с ним уменьшение диффузионных потоков топлива и окислителя к зоне горения объясняет описанный в главе 1 эффект ликвидации богатого срыва путем подачи на горелку отрицательного потенциала.

В четвертой главе рассматриваются также оценки влияния излучения на факела при различной полярности горелки. Несмотря на то, что потери тепла

излучением в окружающее пространство малы и во всех случаях не превосходят одной десятой от тепловой мощности факела, величина потерь также меняется с приложением электрического поля, достигая максимальной величины при отрицательном потенциале горелки и минимальной при положительной. Вследствие сильной зависимости скорости образования окислов азота от температуры поправка на излучение должна усилить рассматриваемый эффект снижения выхода N0* при отрицательном потенциале горелки.

В заключении приведены выводы, отражающие основные результаты

работы.

1. Сепп В. А, Улыбышев К. Е. Экспериментальные исследования эмиссионных характеристик ламинарных диффузионных пламен в постоянном электрическом поле различной полярности. // Теплофизика высоких температур, 1997, т. 35 № 5 стр. 826-829.

2. Улыбышев К Е Электрическая структура фронта горения однородной метановоздушной смеси. //Изв. РАН, МЖГ, 1998, № 1, стр. 3-7.

3. Ватажин А. Б., Лихтер В. А., Сепп В. А., Улыбышев К Е., Шульгин В. И. Влияние внешнего электрического поля на эмиссионные характеристики ламинарных диффузионных факелов. // XI Симпозиум по горению и взрыву. Тезисы докладов. Черноголовка, 1996.

4. Улыбышев К Е Разработка модели для определения эмиссии N0 в ламинарном диффузионном метановом шамени при наличии электрического поля. // Всероссийская научная конференция «Физико-химические проблемы сжигания углеводородных топлив». Тезисы докладов. Москва, 1988.

5. Улыбышев К. Е. Влияние постоянного электрического поля на газодинамику и эмиссионные свойства ламинарных диффузионных пламен. //V Международная конференция «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей». Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 1998.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Зак.54. ТирЛ00 Тип» ИНИОН РАН

/

/

/

/*- / (V

< у - £

/

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ

имени П. И. Баранова

Улыбышев Константин Евгеньевич

ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ И ЭМИССИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМИНАРНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ ПЛАМЕН

Специальность 01.02.05 -механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

УДК 536.461:537

Научный руководитель

Доктор физико-математических наук, профессор

А. Б. Ватажин

Москва, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. Экспериментальные исследования одиночных ламинарных диффузионных факелов в постоянном электрическом поле.........................17

1. Экспериментальная установка и методика измерений ..................17

2. Пропановый и метановый факела при отрицательной полярности горелки..............................................................................21

3. Пропановый и метановый факела при положительной полярности горелки..............................................................................23

4. Использование электрического поля для ликвидации срыва пламени 23

5. Экспериментальные исследования распределения электрического потенциала в окрестности ламинарного факела во внешнем электрическом

поле..................................................................................25

6. Некоторые результаты исследования влияния электрического поля на сажеобразование в пламени....................................................27

ГЛАВА 2. Электрическая структура фронта горения однородной метановоздушной смеси.....................................................................29

1. Постановка задачи........................... ......................................30

2. Результаты расчетов......................... .....................................32

3.Оценки максимально возможного влияния поля на гидродинамику

течения...................................................................................34

ГЛАВА 3. Математическая модель ламимнарнго диффузионного пламени без учета электрического поля............................................................36

1. Постановка задачи и основные уравнения для расчета полей скоростей, температуры и концентраций основных компонентов смеси.................................................................................36

2. Результаты расчетов......................... .....................................46

3. Расчет эмиссионных характеристик факела.................................47

ГЛАВА 4. Расчет ламинарного диффузионного факела во внешнем

электрическом поле...........................................................................50

1. Постановка задачи для расчета ионной концентрации и

электрических полей..................................................................50

2.0бщая система уравнений для пламени в электрическом поле............57

3. Результаты расчетов..............................................................59

4. Оценка влияния излучения на ламинарный диффузионный факел..................................................................................63

ВЫВОДЫ...............................................................................66

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................68

з

ВВЕДЕНИЕ

Горение - одно из немногих явлений природы, изучение которых проводится с глубокой древности, с начала использования человеком огня, однако до сих пор многие явления, связанные с процессом сжигания различных топлив, представляют неразгаданную научную загадку, и поток работ по данной тематике занимает одно из ведущих мест в изданиях физико-химического направления. Одним из современных направлений в физике горения является исследование возможности управления процессами в пламенах с помощью нетрадиционных методов. В частности, значительное внимание уделяется теме воздействия на пламена электромагнитных полей и электрических разрядов.

Наличие у пламени электрических свойств известно с XVII века, когда было обнаружено, что пламя разряжает электроскоп. Примерно в это же время было замечено, что пламя ведет себя подобно положительно заряженному телу, притягиваясь к отрицательному электроду. Приведенные факты свидетельствуют о том, что пламена являются источником заряженных частиц.

Природа и механизмы образования заряда в пламенах долгое время оставались лишь темой для многочисленных гипотез. В результате многочисленных экспериментальных исследований ([1] - [6]) было установлено, что основными видами заряженных частиц в пламенах являются положительно заряженные ионы и свободные электроны, а также были найдены максимальные величины концентрации заряженных частиц в пламени, что послужило основой классификации пламен на пламена с высокой и низкой степенью ионизации. К первым относятся пламена углеводородных топлив. Концентрации заряженных частиц достигают здесь величин порядка см"3 в зависимости от условий сжигания (давление, соотношение между расходами топлива и окислителя (стехиометрия) и т. д. ). Максимальная

13 3

концентрация ( до 10 см") достигается во фронте детонации ацетилено -кислородной смеси.

Ко вторым относятся большинство остальных пламен, в частности, пламена водорода и СО. Ионная концентрация здесь, как правило, не превосходит 10° см"3, что по порядку величины соответствует термодинамически равновесной величине для температуры горения указанных топлив.

Ионно-электронный состав пламен обуславливает наличие у них собственных электрических свойств вследствие значительного (почти на три порядка) различия в коэффициентах переноса для положительных ионов и электронов ([7] -[10]). Из-за большего коэффициента диффузии последние стремятся «разлететься» в окружающее пространство, вследствие чего возникает пространственное разделение зарядов и электрическое поле, препятствующее «убеганию» электронов. Величина собственного электрического поля пламени ( т. е. существующего при отсутствии внешних полей) и механизм переноса заряженных частиц существенно зависят от степени ионизации пламени. В пламенах с высокой степенью ионизации величины собственных электрических полей составляют 10 -50 В/см, концентрации ионов и электронов примерно равны между собой и перенос заряженных частиц осуществляется по механизму амбиполярной диффузии. В пламенах с низкой степенью ионизации собственные электрические поля не превосходят 5 В/см и перенос заряженных компонентов происходит путем обычной диффузии со своими собственными коэффициентами.

Следует также отметить, что степень ионизации в пламенах может быть заметно увеличена с помощью добавления элементов с низким потенциалом ионизации, в частности, щелочных металлов. Однако наибольшее внимание исследователями уделялось пламенам с высокой естественной степенью ионизации, и далее именно они будут составлять предмет нашего рассмотрения.

Различие в коэффициентах переноса ионов и электронов обуславливает также специфическое поведение пламени во внешнем электрическом поле. Как правило, в пламенах можно условно выделить две области. В первой происходят основные реакции химического превращения, концентрации свободных радикалов и температура максимальны. Во второй существенны лишь процессы диффузионного и конвективного переноса компонентов смеси и энтальпии ([11]). Толщина первой области составляет порядка долей миллиметра, что обычно намного меньше характерного размера задачи, в то же время основные реакции образования заряженных частиц происходят именно в ней. При наложении поля ионы начинают двигаться к отрицательному электроду, электроны -к положительному. В области вне зоны горения диффузионным переносом заряженных частиц можно пренебречь по сравнению с переносом электрическим полем и на основании этого величину объемного электрического тока для каждой из заряженных компонентов считать пропорциональной его концентрации, умноженной на подвижность. Вследствие закона сохранения электрического заряда суммарный электронный ток равен ионному, откуда, учитывая тот факт, что электронная подвижность намного больше ионной, следует, что отношение характерных концентраций ионов и электронов обратно пропорционально отношению их подвижностей и электронная концентрация оказывается пренебрежимо мала по сравнению с ионной. Иначе говоря, при воздействии на пламя внешнего электрического поля в области вне зоны горения возникает объемный положительный заряд и объемная электростатическая сила, действующая по направлению к отрицательному электроду. Данному явлению, получившему название «ионный ветер» посвящена огромное количество исследований, описанных в [5] .

Влияние внешнего электрического поля на распределение концентраций заряженных частиц непосредственно в зоне горения зависит от его величины. В слабых электрических полях квазинейтральность плазмы в зоне горения сохраняется, распределения концентрации ионов и электрического поля

б

соответствуют таковым при отсутствии внешнего поля. Отсос электрическим полем заряженных частиц осуществляется с границы рассматриваемой области. В сильных полях квазинейтральность плазмы в зоне горения нарушается, рекомбинация заряженных частиц оказывается пренебрежимо малой, вольт-амперная характеристика пламени выходит на насыщение. Подробно различные участки вольт- амперной характеристики плоского пламени, распространяющегося по однородной топливовоздушной смеси, проанализированы в [12]. Электрическое поле при этом считалось перпендикулярным фронту пламени, зона образования заряженных частиц считалась бесконечно тонкой. Авторами получены важные аналитические соотношения для различных участков вольт- амперной характеристики пламени и достигнуто качественное понимание основных аспектов взаимодействия электрического поля с пламенами. Однако скорость образования положительных ионов считалась величиной заданной, равно как не рассматривалась их природа.

Как было указано выше, работ, посвященных выяснению природы и механизмов образования положительных ионов в пламенах, не сегодняшний день достаточно много. В результате многочисленных масс-спектрометрических исследований было выяснено, что основными ионами в большинстве углеводородных пламен являются Н30+ , С3Н3+, СНО+, причем первый из них является преобладающим. Также в небольших количествах могут присутствовать ионы СНз+, Нз02+ и другие.

Относительно возможных механизмов новообразования различными авторами было выдвинуто множество гипотез. В частности, предполагалось, что источником заряда в пламенах могут быть мелкие углеродистые частицы с малой работой выхода электрона, заряжающиеся положительно в результате термоэлектронной эмиссии, что ионы могут образовываться в результате ударной ионизации при столкновениях молекул с малой энергией ионизации с соединениями, образующимися в результате сильно эндотермических реакций

и имеющих вследствие этого высокую скорость и т. д. На сегодняшний день большинством ученых принята гипотеза, согласно которой положительные ионы в пламени образуются в результате хемоионизационных реакций из свободных радикалов, а наиболее вероятными реакциями считаются следующие:

СН + О СНО+ + е (1)

СН + С2Н2 -» С3Н3+ + е (2)

(символ * означает, что молекула находится в возбужденном состоянии). Ионы НзО+ и другие, по видимому, являются вторичными, т. е. образуются из ионов СНО+ и СзНз+ в результате ионно-молекулярных реакций с участием нейтральных компонентов.

В [13] была рассмотрена численная модель образования ионов в метановом пламени противонаправленных струй горючего и окислителя на основе реакции (1). Полученные ионные концентрации оказались близки к наблюдаемым в экспериментах, однако авторы не учитывали влияния электрического поля на динамику заряженных частиц, вследствие чего собственное электрическое поле пламени, рассчитанное на основании полученных авторами распределений концентраций ионов и электронов, достигает сверхпробойных величин. Автором настоящей работы в [14] создана численная модель электрической структуры фронта горения однородной метановоздушной смеси с учетом влияния поля на движение заряженных компонентов и получены значения собственного поля пламени, хорошо соответствующие найденным из экспериментов.

Работы теме, которую условно можно назвать «электричество и горение» не ограничиваются исследованием механизмов образования заряженных частиц в пламени и электрической структуры зоны горения. Достаточно много работ посвящено влиянию электрических полей на гидродинамическую устойчивость пламени и вопросам воздействия на пламена переменных электрических полей , проведенных Н. И. Кидиным и соавторами. В [15] показано, что влияние

электрогазодинамических (ЭГД) сил на плоский фронт ламинарного пламени аналогично влиянию силы тяжести и может способствовать как развитию неустойчивостей в пламени, так и подавлять неустойчивость. Влияние объемных электрических сил обуславливает также другой интересный нестационарный эффект -распространение волн вдоль поверхности пламени, аналогичных гравитационным волнам на поверхности жидкости. Показано также, что перераспределение зарядов в пламени вследствие изменения плотности и скорости газа влияет на скорость распространения акустической волны и вызывает дисперсию волн. Исследована также возможность возбуждения акустических волн путем приложения к пламени переменного электрического поля и обратный эффект, состоящий в генерации звуковыми волнами в продуктах сгорания переменного электрического тока.

Среди работ по влиянию электрического поля на пламена следует отметить также работы по исследованию влияния постоянного электрического поля на распространение фронта пламени в трубе ([16], [17]). В данных работах показано, что наложение электрического поля может приводить к возрастанию скорости распространения фронта пламени вследствие его искривления, обусловленного влиянием поля на газодинамику течения.

Имеется довольно большой спектр работ, в которых рассматриваются такие прикладные вопросы, как влияние электрического поля на скорость выгорания жидкого топлива, возможность прямого преобразования тепловой энергии топлива в электрическую с помощью МГД и ЭГД генераторов, способы очистки продуктов сгорания с помощью коронного разряда и другие. В частности, одним из новых методов управления акустикой пламени является генерация звука модулированным электрическим разрядом, локализованным в зоне горения ([18]-[20]). С помощью данной методики показано, что пламена имеют «собственные» акустические частоты (точнее - избирательную акустическую чувствительность), характерную для каждого вида топлива, что

может быть использовано для подавления излучения звука камерами сгорания и их акустической диагностики.

Достаточно широко также представлены работы по влиянию электричества на сажеобразование в пламенах. В качестве специфики данной тематики следует отметить тот факт, что, несмотря на обилие работ по сажеобразованию (в качестве примера можно указать [21]-[24]), законченной теории образования сажи, как и полной ясности относительно возможных механизмов данного процесса, на сегодняшний день не существует. Вследствие этого работы по электричеству и сажеобразованию носят в основном экспериментальный характер. Многочисленные исследования показывают, что поле оказывает значительное влияние на размеры, структуру и суммарную массовую долю сажистых частиц. В [25] продемонстрировано изменение цвета плоского пламени, образованного встречными струями топлива и окислителя, от желтого (излучают частицы сажи) до ярко-голубого (излучают молекулы газа) при увеличении напряженности приложенного к пламени внешнего электрического поля.

Также, в качестве одного из возможных механизмов генерации сажистых частиц, в литературе обсуждается ионный механизм образования сажи [26]. Согласно данному представлению, предшественником, или «зародышем» сажистой частицы могут являться положительные ионы, образующиеся в зоне горения в результате хемоионизационных реакций. В этом случае возможно прямое влияние электрического поля на скорость сажеобразования. Однако ионный механизм образования сажи не получил пока достаточного подтверждения, и, по видимому, влияние электрического поля на образование частиц свободного углерода обусловлено главным образом изменением времени пребывания частицы в зоне пиролиза и воздействием заряда частицы на процессы коагуляции («слипания»),

С точки зрения экологии атмосферы и проблем защиты озонового слоя большую важность также имеет экспериментально обнаруженный факт, что

практически все сажистые частицы несут на себе положительный либо отрицательный заряд ( во внешних электрических полях преимущественно положительный). Исследования возможных механизмов зарядки сажистых частиц и возможных путей влияния на электрические свойства сажи является одним из актуальных и интенсивно развивающихся направлений науки о горении.

В отличие от случая постоянного электрического поля влияние переменных электрических полей на образо