Горение газа вблизи пределов (11.08.2012)

Автор: Замащиков Валерий Владимирович

Практическая и научная ценность работы.

Практическая ценность.

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

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

Научная ценность.

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

Исследован переход между режимом с прогревом стенки и обычным режимом.

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

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

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

На защиту выносятся

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и шести глав.

Содержание работы.

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

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

. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с данными, приведенными в работах [3-5]. Для трубок диаметром d=2-16.7 см предел не зависит от диаметра. Это можно связать с тем, что в этом случае возникает свободно конвективный теплообмен и именно он приводит к гашению пламени. Элементарная модель гашения свободно распространяющегося пламени построена Ловачевым [6]. В настоящей работе, основываясь на работе [7], получены предельные условия для распространения пламени сверху вниз при наличии свободно-конвективного теплообмена. В теоретической модели рассматривается движение фронта пламени по газовой горючей смеси в вертикальной цилиндрической трубе по направлению вектора силы тяжести. Также как в тепловой теории Зельдовича считается, что скорость пламени и давление постоянны, температура стенок трубы ? неизменна и равна температуре исходной смеси. Фронт пламени плоский. Скорость и температура газа зависят только от координаты, направленной вдоль оси трубы. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными показало хорошее согласие.

пламя распространяется осесимметрично по всему объему сосуда. Выгорание смеси полное. На заключительной стадии в продуктах сгорания наблюдается вторичное свечение, обусловленное сжатием продуктов горения - Махе-эффектом.

и гасло. Выгорание смеси частичное. Махе-эффект отсутствует. Эксперименты показали, что с увеличением нормальной скорости ускорение, при котором происходит гашение, растет. Это согласуется с гипотезой о возможности гашения пламени благодаря конвективному теплообмену в продуктах горения.

Вторая глава посвящена исследованию процесса быстрого распространения пламени внутри трубки. После литературного обзора по данной теме приводится схема экспериментальной установки, описывается методика проведения экспериментов и анализируются полученные результаты. Эксперименты проводились в горизонтальных трубках. Через один конец трубки подавалась горючая смесь. Внутренний диаметр трубок больше критического. В качестве горючего газа использовались углеводородо-воздушные смеси. Измерялась средняя видимая скорость распространения пламени и форма фронта пламени. Обработка видеоматериала показала, что пламя либо аксиально-симметричное, либо имеет наклон вследствие свободной конвекции. Наклон появляется, когда видимая скорость уменьшается, то есть при достаточно больших расходах. Причем, чем больше внутренний диаметр трубки, тем в большем диапазоне расходов и составов смесей наблюдаются наклонные пламена. Поверхности симметричных пламен аппроксимируются частью сферы. Отклонение от сферы наблюдается лишь у стенки трубки, где пламя от нее “отходит”, становясь более плоским. Получены зависимость радиуса этой сферы от расхода горючего газа для симметричных пламен разного состава. Эксперименты показали, что при существенном изменении расхода кривизна пламени меняется незначительно. В работе приводятся зависимости радиуса фронта пламени от состава смеси для трех трубок. Радиус кривизны уменьшается при приближении к верхнему или нижнему концентрационным пределам.

Распространение пламени в узких трубках сопровождалось звуком. Сила звука зависела от диаметра трубки и состава смеси. При распространении пламени вдоль трубки акустические колебания постепенно усиливались и достигали максимума между 1/2 и 2/3 части трубки, считая от открытого конца. При этом средняя видимая скорость перемещения фронта горения уменьшалась, а фронт становился всё более плоским. Видео съемка показала, что пламя колеблется как целое, т. е. без заметного изменения поверхности за период колебаний, вплоть до области, где наблюдается максимальная амплитуда колебаний. Фронт во время колебаний остается симметричным. В области, где наблюдалась максимальная амплитуда колебаний, поверхность фронта горения изменялась: пламя выгибалось в сторону свежей смеси, поверхность увеличивалась, затем фронт становился почти плоским, но никогда не прогибался в противоположенную сторону, т. е. в сторону продуктов горения. Сила звука, амплитуда колебаний и поведение пламени после прохождения этой зоны зависели от диаметра трубки и от состава смеси. Для смесей близких к смеси, содержащий 5% пропана, в трубке диаметром 7 мм после того, как пламя становилось почти плоским в фазе увеличения поверхности, фронт горения резко ускорялся, происходила турбулизация горения. В трубке диаметром 3.2 мм турбулизация не происходила - пламя проходило место, в котором наблюдалась максимальная амплитуда колебаний, колебания затухали, видимая скорость возрастала. В трубке диметром 5.1 мм пламя в этом месте гасло. Причем гашение происходило в момент, когда поверхность пламени максимальна.

Получены зависимости средней скорости пламени от скорости поступающего в трубку горючего газа (рис. 2). Эти зависимости неплохо аппроксимируются прямой линией. При увеличении расхода видимая скорость уменьшается и когда она становится достаточно маленькой, наблюдается переход в режим с прогревом стенки (РПС). Необычное явление наблюдается при приближении к пределу по составу смеси. Когда расход небольшой, пламя способно распространяться по трубке, но, начиная с определенного расхода, наблюдается гашение, и только при достаточно больших расходах пламя опять распространяется по трубке, но уже в РПС. Зависимости видимой скорости пламени при нулевых расходах горючего газа от состава пропано-воздушной смеси показаны на рис. 3. Видно, что для трубки диаметром 7.0 мм наблюдается два максимума. Резкий высокий экстремум связан с турбулизацией пламени, вызванной акустическими колебаниями. Второй экстремум соответствует максимуму скорости для случая, когда пламя не турбулизируется. Этот максимум определяется составом смеси и, по всей видимости, кривизной пламени. Видно, что эти максимумы смещены друг относительно друга. Это смещение можно объяснить тем, что для перехода из ламинарного в турбулентный режим важна не только величина нормальной скорости, но и состав смеси. По мере обогащения смеси пропаном фронт пламени становится, с одной стороны, менее устойчивым (эффекты числа Льюиса), а, с другой стороны, нормальная скорость уменьшается, и при каком-то составе реализуются наилучшие условия для турбулизации пламени. В трубке диаметром 5,1 мм второй максимум не наблюдается. В этой трубке переход из ламинарного режима в турбулентный не происходит. Мало того, как уже упоминалось выше, пламя смеси с 5.0 % пропана гаснет. В трубке диаметром 3,2 мм пламя распространяется без существенных особенностей. Как и следовало ожидать, диапазон существования пламени по составу смеси сужается при уменьшении диаметра трубки.

Третья глава посвящена исследованию горения жидкости в условиях ограниченного объема при наличии набегающего потока воздуха. В начале главы дается литературный обзор по данной теме. При перемешивании паров горючей жидкости с окружающим воздухом образуются смеси, которые в зависимости от вида горючей жидкости и ее температуры могут быть как горючими, так и негорючими. Если давление насыщенных паров жидкости такое, что концентрация горючего в получаемой смеси меньше концентрации этого горючего на нижнем концентрационном пределе, то горение этой смеси невозможно. Однако при этом возможно распространение волны горения над поверхностью горючей жидкости, если перед фронтом пламени может образоваться горючая смесь. Для этого необходимо, чтобы жидкость достаточно прогрелась, и ее пары успели перемешаться с воздухом. Это возможно, потому что температура газа во фронте пламени значительно увеличивается и, благодаря теплообмену между нагретым газом и жидкостью, температура последней повышается. Ранее проведенные эксперименты показали, что возможны два режима распространения пламени над жидкостью: равномерный и пульсационный [8]. Большинство экспериментов проводились без обдува пламени воздухом. В настоящем разделе приведены результаты экспериментального исследования влияния встречного воздушного потока на среднюю скорость распространения пламени над горючей жидкостью.

Эксперименты проводились в горизонтальной кварцевой трубке длиной 1 м. Внешний диаметр трубки - 11 мм, толщина стенки 1 мм. В качестве горючей жидкости использовался бутанол-1 (температура вспышки 350С). Один конец трубки соединялся с системой подачи воздуха. Инициирование волны горения осуществлялось через открытый конец. Пламя распространялось от открытого конца к закрытому против потока воздуха в пульсационном режиме. Наблюдаемые пульсации были негармоническими. Амплитуда колебаний зависела от глубины жидкости и расхода воздуха. Средняя скорость распространения пламени определялась по зависимости координаты фронта пламени от времени. Как правило, зависимости координаты пламени от времени аппроксимировались прямой линией. Эксперименты показали, что при небольших расходах воздуха скорость сильно зависит от температуры, при которой проводились эксперименты. Однако с ростом расхода наблюдалась тенденция к уменьшению чувствительности скорости к температуре. В связи с этим для того, чтобы уменьшить разброс данных, эксперименты проводились при изменении температуры в небольших пределах.

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

При малых и больших расходах происходило гашение пламени, то есть наблюдались верхний и нижний пределы по расходу воздуха. Причем поведение пламени перед гашением сильно отличались в этих двух случаях. С уменьшением расхода амплитуда колебания возрастала, она достигала нескольких сантиметров и пламя гасло. С увеличением расхода уменьшалась скорость пламени, пламя устанавливалось в месте изменения глубины жидкости, амплитуда колебаний уменьшалась. При еще больших расходах пламя сдувалось и гасло. Полученная зависимость средней скорости пламени от средней скорости газа при разных глубинах жидкости перед фронтом приведены на рис. 4. Средняя скорость газа определялась по известному расходу и глубине жидкости перед пламенем. Видно, что с увеличением скорости встречного потока средняя скорость пламени уменьшается.

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


загрузка...