Что такое турбулентная диффузия пламени и фронт пламени. Условия существования фронта пламени

Требования к камерам сгорания и их характеристики

Камеры сгорания ГТУ работают в широком диапазоне нагрузок. Они должны иметь малые габариты, массу, быть работоспособным при сжигании различных видов топлива. Кроме того, КС должны обеспечить допустимый уровень вредных выбросов с продуктами сгорания (окислов азота, серы). Особые требования к КС предъяв­лялся с точки зрения эксплуатационной надежности, так как они находятся в тяжелых температурных условиях.

Кроме того, камеры сгорания должны иметь:

· высокий коэффициент полноты сгорания;

· малые потери давления;

· малые габариты, т.е. большую теплонапряженность;

· заданное поле температур;

· быстрый и надежный пуск;

· достаточно большой ресурс;

· достаточное удобство монтажа и профилактического обслуживания.

Коэффициент полноты сгорания (или К.П.Д. камеры сгорания) определяется как:

где Q 1 – количество тепла, фактически выделившееся в рабо­чем объеме камеры; Q 2 – полное количество тепла, которое тео­ретически могло бы выделяться при полном сгорании топлива.

Факел в камере сгорания, развивающийся в условиях вынужденного дви­жения с центральным подводом топлива состоит из трех основных зон: внутренняя зона I, зона смесеобразования и горения II, и зона III - зона наружного воздуха рис. 4.2.

В зоне II 0 ≤ α ≥ ∞. Во внутренней зоне воздух отсутствует α = 0.

В зоне 2 осуществляется смесеобразование и горение. Она делится условно на две: внутренняя - а, и внешняя - б.

Внутренняя зона заполнена смесью из горючего газа и продуктов сгорания, а наружная смесью продуктов сгорания и воздуха. Граница между зонами – фронт пламени горения. В этом промежутке имеются все области от α = 0 до α = ∞. В толще фронта горения α= 1; топливо, перемещаясь от корня к хвосто­вой зоне, разбавляется продуктами сгорания, а воздух насыщается продуктами сгорания. Это приводит к тому, что в зоне сгорания теплота сгорания топлива уменьшается, т.е. уменьшается количество теплоты,

Рис. 4.2. Фронт пламени горения.

приходящееся на единицу поверхности фронта сгорания, условия сгорания ухудшаются вплоть до воз­можного загасания пламени и выноса части несгоревшего топлива. Следует иметь в виду, что этот процесс характерен для неограниченного пространства. В реальных КС характер горения, в связи с тем, что поток ограничен, в значи­тельной мере определяется аэродинамическими свойствами КС. Причем в зо­не горения поддерживается высокая температура, что приводит к сгоранию смеси с весьма высокими скоростями, в этом случае скорость сгорания опреде­ляется в первую очередь скоростью смесеобразования, т.к. скорость химиче­ских реакций будет во много раз больше, чем скорость смесеобразования. Такой процесс называется диффузионным горением. Он легко управляется за счет изменений условий смесеобразования, который, в свою очередь, можно изме­нять конструкционными мероприятиями - использованием лопаточных кольце­вых решеток в качестве турбулизаторов и др.

Одной из главных характеристик камеры сгорания является величина теплового напряжения, которое представ­ляет собой отношение количества теплоты, выделившегося в камере сгорания, к ее объему при давлении сгорания.

Дж/м 2 МПа (4.10)

где Р КС – давление рабочего тела в камере сгорания, МПа; V – объем камеры сгорания, м 3 .

На основа­нии величины удельной теплонапряженности определяется объем камеры сго­рания.

Для создания устойчивого горения во всем диапазоне рабочих режимов важ­на организация процесса горения, которая характеризуется поверхностью фронта пламени горения и определяется из уравнения:

где U Т – турбулентная скорость распространения пламени она, как правило, при­нимается в интервале (40 ÷ 60 м/с); F ф – фронт пламени горения; – теплота сгорания смеси; ρ см - плотность смеси.

Низшая теплота сгорания смеси определяется из уравнения:

Плотность смеси определяется из уравнения Менделеева-Клайперона:

где Т КС – температура смеси в камере сгорания.

Фронт пламени горения по уравнению:

Устойчивое горение возможно при F тф ≥ F ф.

Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя.

Турбулентное называется беспокойное, закрученное вихрями пламя постоянно меняющейся формы.

при увеличении расхода, пламя меняет свою форму и становится беспокойным, закрученным вихрями, постоянно меняющейся формы, это – турбулентное пламя.

Такое поведение пламени при турбулентном режиме объясняется тем, что в зону горения начинает поступает гораздо большее количество горючего газа, то есть в момент времени должно окисляться все больше и больше горючего, что приводит к увеличению размеров пламени и дальнейшей его турбулизации.

Фронт пламени – тонкий поверхностный слой, ограничивающий пламя, непосредственно в котором протекают окислительно-восстановительные реакции.

Толщина фронта пламени невелика, она зависит от газодинамических параметров и механизма распространения пламени (дефлаграционный или детонационный) и может составлять от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Внутри пламени практически весь объем занимают горючие газы (ГГ) и пары. Во фронте пламени находятся продукты горения (ПГ). В окружающей среде находится окислитель.

Схема диффузионного пламени газовой горелки и изменение концентраций горючих веществ, окислителя и продуктов горения по сечению пламени приведены на рис. 1.2.

Толщина фронта пламени разнообразных газовых смесей в ламинарном режиме составляет 0,5 – 10 -3 см. Среднее время полного превращения топлива в продукты горения в этой узкой зоне составляет 10 -3 –10 -6 с.

Зона максимальных температур расположена на 5-10 мм выше светящегося конуса пламени и для пропан-воздушной смеси составляет порядка 1600 К.

Диффузионное пламя возникает при горении, когда процессы горения и смешения протекают одновременно.

Как отмечалось ранее, главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанных горючих смесей состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении лимитируется процессом смешения окислителя и горючего, даже если скорость химической реакции очень велика, интенсивность горения ограничена условиями смешения.

Важным следствием этого представления является тот факт, что во фронте пламени горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении. В каких соотношениях не находились бы подаваемые раздельно потоки окислителя и горючего, фронт пламени всегда устанавливается в таком положении, чтобы поступление реагентов происходило в стехиометрических соотношениях. Это подтверждено многими экспериментами.

Движущей силой диффузии кислорода в зону горения является разность его концентраций внутри пламени (С О = 0) и в окружающем воздухе (начальная С О = 21%). С уменьшением этой разности скорость диффузии кислорода уменьшается и при определенных концентрациях кислорода в окружающем воздухе – ниже 14-16 %, горение прекращается. Такое явление самопроизвольного затухания (самозатухания) наблюдается при горении в замкнутых объемах.

Каждое пламя занимает в пространстве определенный объем, внешние границы которого могут быть четко или нечетко ограничены. При горении газов форма и размеры образующегося пламени зависят от характера исходной смеси, формы горелки и стабилизирующих устройств. Влияние состава горючего на форму пламени определяется его влиянием на скорость горения.

Высота пламени является одной из основных характеристик размера пламени. Это особенно важно при рассмотрении горения и тушения газовых фонтанов, горения нефтепродуктов в открытых резервуарах.

Высота пламени тем больше, чем больше диаметр трубы и больше скорость истечения, и тем меньше, чем больше нормальная скорость распространения пламени.

Для заданной смеси горючего и окислителя высота пламени пропорциональна скорости потока и квадрату диаметра струи:

где - скорость потока;

Диаметр струи;

Коэффициент диффузии.

Но при этом форма пламени остается неизвестной и зависит от естественной конвекции и распределения температур во фронте пламени.

Эта зависимость сохраняется до определенного значения скорости потока. При возрастании скорости потока пламя турбулизируется, после чего прекращается дальнейшее увеличение его высоты. Этот переход совершается, как уже отмечалось, при определенных значениях критерия Рейнольдса.

Для пламен, когда происходит значительное выделение несгоревших частиц в виде дыма, понятие высота пламени теряет свою определенность, т.к. трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени.

Кроме того, в пламенах, содержащих твердые частицы, по сравнению с пламенами, содержащими только газообразные продукты сгорания, значительно возрастает излучение.

Горение газовой смеси в закрытых трубах порождает эхо, которое приводит к полной перестройке фронта пламени. Детали этого явления впервые были воспроизведены при численном моделировании.

Пламя, взаимодействующее с мощной звуковой волной, способно порождать интересные пространственные структуры (см., например, впечатляющий видеоролик с «огненной визуализацией» звуковых волн). Звуковая волна при этом не обязательно должна быть внешней: интенсивное горение газовой смеси горючего и окислителя в замкнутом объеме, например в трубах, порождает эхо, которое может исказить фронт пламени и изменить режим протекания реакции горения.

Искажение формы пламени при горении в трубах известно уже более ста лет, однако лишь в классических экспериментах Джеффри Сирби (G. Searby) 1992 года было проведено систематическое изучение этого процесса. В частности, Сирби наблюдал турбулизацию пламени под действием собственного эха. Само по себе это явление не кажется удивительным, однако теоретического описания этого процесса до сих пор предложено не было. Требовали ответа вопросы «Как именно происходит переход к турбулентности?», «Какие именно колебания пламени раскачиваются первыми?» и т. п. Всё это, в свою очередь, сковывало руки исследователям, ищущим возможности практического применения этого эффекта в технологии (вообще говоря, турбулентность пламени имеет большое значение для ракетной промышленности).

В недавней статье российско-шведской группы исследователей A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 October 2006) был сделан первый шаг на пути к построению такой теории. Авторы этой работы провели подробное численное моделирование процесса горения газовой смеси в длинной и очень узкой трубе, закрытой с одного конца (смесь поджигалась с открытого конца, и пламя распространялось вглубь трубы). Для простоты вычислений решалась двумерная, а не трехмерная задача, газовая смесь считалась идеальным газом, а процесс горения моделировался гипотетической одноэтапной и необратимой химической реакцией с заданными тепловыделением и энергией активации. Зато вся газо- и термодинамика - сжатие и расширение, течения газа, теплопередача, структура фронта пламени - учитывались в полной мере.

Результаты моделирования однозначно доказали, что при приближении к закрытому концу фронт пламени начинал «дрожать». Эта дрожь порождала звуковое эхо той же частоты, которое еще сильнее «раскачивало» пламя. В непосредственной близости к концу трубы осцилляции пламени становились настолько сильными, что фронт пламени буквально складывался в гармошку. В течение каждого периода этих колебаний фронт пламени резко дестабилизировался, выпускал узкую и очень длинную струю холодного газа внутрь области, занятой горячими продуктами горения. Струя затем быстро сгорала, фронт пламени заворачивался вихрем и потом выравнивался вновь. Скорость течений, порожденных этими осцилляциями, в десятки раз превышала «нормальную» скорость распространения пламени в открытом пространстве.

Сильные осцилляции и порожденными ими вихри обычно являются первым этапом при переходе к турбулентности. Авторы статьи, однако, не торопятся объявлять об открытии механизма турбулизации пламени. Дело в том, что имеющиеся на сегодня вычислительные мощности позволяют провести столь детальное моделирование лишь в чрезвычайно узких трубах, скорее даже в капиллярах. Как изменится этот процесс в широких трубах, для которых и получены экспериментальные данные и в которых влияние стенок на течения существенно слабее, предстоит еще изучить. Интересно также проверить, являются ли обнаруженные в моделировании искажения пламени тем самым «тюльпанообразным пламенем», которое наблюдалось давно, но до сих пор остается необъясненным (см. C. Clanet and G. Searby. On the "Tulip Flame" Phenomenon (PDF, 1,3 Мб) // Combustion and Flame , 1996. V. 105. P. 225-238).

Тема 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ.

7.1. Тепловая теория горения.

При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура продуктов адиабатичес-кого сгорания не зависит от скорости реакций, протекающих в пламени, а лишь от их суммарного теплового эффекта и теплоемкостей конечных про-дуктов. Эта величина называется адиабатической температурой горения Т г. Она является важной характеристикой горючей среды. У большинства горючих смесей величина Т г лежит в пределах 1500-3000° К. Очевидно, что Т г – максимальная температура продуктов реакции в отсутствие внешнего по-догрева. Фактическая температура продуктов сгорания может быть только меньше Т г в случае возникновения тепловых потерь.

Согласно тепловой теории горения, разработанной советскими уче­-ными Я.Б. Зельдовичем и Д.А. Франк-Каменецким, распространение пламени происходит путем передачи тепла от продуктов горения к несгоревшей (све­-жей) смеси. Распределение температур в газовой смеси с учетом тепловыде­-ления от химической реакции и теплопроводности показано на рис. 26.

Фронт пламени, т.е. зона, в которой происходит реакция горения и ин­-тенсивный саморазогрев сгорающего газа, начинается при температуре само­-воспламенения Т св и заканчивается при температуре Т г.

Перед распространяющимся вправо фронтом пламени находится све­-жая смесь, а сзади – продукты горения. Считается, что в зоне подогрева ре­-акция протекает настолько медленно, что выделением тепла пренебрегают.

Процесс теплопередачи при стационарном распространении пламени не приводит к потерям тепла и понижению температуры по сравнению с Т г непосредственно за фронтом пламени. Теплоотвод из каждого сгорающего слоя газа при поджигании соседнего, еще не нагретого, скомпенсирован аналогичным количеством тепла, ранее полученным в поджигающем слое при его собственном поджигании. Дополнительное тепло начального поджи-гающего импульса заметно не искажает стационарного режима горения, так как его роль все более уменьшается по мере увеличения количества сгорев- шего газа.

Продукты сгорания теряют тепло только в результате излучения и при соприкосновении с твердой поверхностью. Если излучение незначительно, такое сгорание оказывается практически адиабатическим. Заметные тепловые потери возможны лишь на определенном расстоянии за фронтом пламени.

Таким образом, инициирование горения газовой смеси в одной точке приводит к нагреву близлежащего слоя, который разогревается путем тепло­-проводности от продуктов реакции до самовоспламенения. Сгорание этого слоя влечет за собой воспламенение следующего и т.д. до полного выгорания горючей смеси. Отводимое из зоны реакции тепло в свежую смесь полностью компенсируется выделением тепла реакции и возникает устойчивый фронт пламени. В результате послойного сгорания фронт пламени перемещается по смеси, обеспечивая распространение пламени.

Если свежая смесь движется навстречу фронту пламени со скоростью, равной скорости распространения пламени, то пламя будет неподвижным (стационарным).

Теоретическое обоснование условий распространения пламени можно привести при рассмотрении стационарного пламени, когда ско­рость его рас-пространения U пл равна скорости подачи газовой смеси υ г: U пл =υ г (рис. 27). В данном случае соотношение между нор­мальной скоростью горения U н и ско-ростью распространения пла­мени U пл выразится уравнением:

U н = U пл * sinφ . (7.1)

К свежей смеси от единицы поверхности пламени в единицу времени путем теплопроводности подводится количество тепла:

(7.2)

где: - коэффициент теплопроводности;

Ширина фронта пламени.

Это тепло расходуется на нагрев свежей смеси от начальной темпера­-туры Т о до температуры горения Т г:

где: с – удельная теплоемкость;

Плотность смеси.

С учетом уравнений (7.2) и (7.3) при U пл =υ г скорость распространения пла­мени определяется соотношением:

(7.4)

где: - коэффициент температуропроводности.

Поскольку скорость горения очень сильно зависит от температуры, сгорание основной массы газа происходит в зоне, температура которой близ-ка к Т г.

Скорость химической реакции, как рассмотрено в § 6.1., определяется уравнением:

. (7.5)
Тогда скорость распространения пламени:

где: b – показатель, зависящий от свойств смеси, .

Таким образом, пламя не сможет распространяться по горючей смеси, если его температура будет ниже теоретической температуры горения на ве­-личину превышающую (см. § 9.3).

- характеристический интервал температур в химической кинетике. Изменение температуры на эту величину приводит к изменению скорости реакции в “e” раз.

Предельное значение скорости распространения пламени U ПРЕД опреде­-ляется соотношением:

(7.7)

В отличие от рассмотренного случая нормального горения, в реальных условиях взрывов в замкнутом пространстве процесс дефлаграционного горе-ния самоускоряется. Это связано с расширением поверхности горения, воз­-никновением движения газов и повышением давления при горении.

7.2. Горение в замкнутом объеме.

При горении газов в открытой трубе и в потоке продукты реакции свободно расширяются, давление остается практически постоянным. Сжигание в замкнутом сосуде связано с ростом давления. Это имеет большое значение для решения задач взрывобезопасности. Повышение давления при сгорании в замкнутых аппаратах, а также в помещениях, может приводить к разрушениям и авариям.

При горении без тепловых потерь (адиабатическом горении) в замкну­-том объеме в результате повышения температуры с Т о до температуры горе­-ния Т г и изменения числа грамм-молекул при реакции давление возрастает с Р о до Р г:

(7.8)

где: m, n – число молей веществ до и после взрыва стехиометрическо-

го состава смеси.

Однако наибольшее давление развивается не для стехиометрических смесей, хотя они обладают наибольшей теплотой сгорания и создают макси­-мальную Т г, а смеси, обогащенные горючим веществом, которые имеют мак­-симальную скорость горения. При дефлаграционном горении давление дос­-тигает 7-10 атм., при детонации – намного выше.

Характерной особенностью процесса сгорания в замкнутом объеме является неравномерность распределения температуры продуктов реакции непосредственно после сгорания. Первоначально сгорающая часть горючей смеси, находящаяся в центре сосуда, реагирует при начальном давлении р о ; последний слой, сгорающий у стенки, реагирует при конечном давлении р .

Нагревание каждого слоя газа протекает в две стадии: при химическом превращении и адиабатическом сжатии. Хотя во всех точках объема состав продуктов сгорания и давление одинаковы, конечная температура существенно зависит от последовательности обоих нагревающих процессов. При адиабатическом сжатии от давления р о до давления р рост температуры от Т о до Т определяется уравнением Пуассона

, (7.9)

где: g = с р /с v .

Конечная температура продуктов сгорания будет выше в том случае, ес-ли газ сначала нагревается при химическом превращении, а затем его темпе- ратура возрастает при сжатии по уравнению (7.9), чем в случае обратной пос-ледовательности обоих процессов.

7.3. Движение газов при горении.

Расширение газов в пламени (по закону Гей-Люссака) приводит к тому, что горение всегда сопровождается движением газов. Обозначим через ρ г – плотность исходной среды, ρ пр – плотность продуктов горения, их скорость по отношению к неподвижному фронту пламени равна u пр. На каждый квад-ратный сантиметр поверхности фронта поток приносит ежесекундно u н см 3 горючей смеси, её масса равна u н* ρ г соответственно от этого участка пламени отводится в 1 сек u пр см 3 продуктов реакции с массой u пр* ρ пр. Поскольку мас-сы сгорающей смеси и продуктов реакции равны, то

u н* ρ г = u пр* ρ пр (7.10)

Уравнение (7.10) выражает закон сохранения массы при горении.

Величина u пр превосходит нормальную скорость пламени во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов сгорания. Увеличение скорости газового потока при сгорании является след-ствием расширения газов.

Абсолютная температура при сгорании повышается в 5–10 раз. Если горение происходит при постоянном давлении, газ расширяется в r о /р пр раз. Рассмотрим горение стационарного фронта пламени в открытой трубе, изоб-раженной на рисунке 28.

Рис. 28. Схема пояснения закона площадей: S – сечение трубы, F – поверхность фронта пламени, ω - скорость исходной горючей смеси, Т 0 , - тем­пература и плотность исходной смеси, U H – нормальная скорость горения, U ПЛ – скорость рас­-пространения пламени, U ПР – скорость продуктов горения, Т ПР, - температура и плотность про-дук­тов горения.

Так как пламя располагается неподвижно, ω = U ПР. Тогда, например, на 1 см 2 поверхности фронта пламени F поток приносит ω см 3 /с горючей смеси. Её масса равна ω. Соответственно от этого участка отводится U ПР см 3 /с про­дуктов сгорания с массою U ПР . Тогда по закону сохранения масс (уравне­ние 7.10) при ω = U ПЛ:

(7.11)

Таким образом, объемная скорость продуктов сгорания превышает ско­-рость горения во столько раз, во сколько плотность исходной среды больше плотности продуктов горения.

С другой стороны, если на 1 см 2 поверхности фронта пламени сгорает U Н см 3 /с смеси, то на всей площади F сгорает U Н *F см 3 /с. В то же время объ-ем сгорающего газа равен объемной скорости газового потока ω*S см 3 /с. То-гда U H *F = ω*S, или ω = U H *F / S.

При равенстве ω =U ПЛ:

U ПЛ = U H * F / S . (7.12)

Получаем закон площадей : скорость распространения пламени в трубе будет во столько раз больше нормальной, во сколько поверхность пламени превосходит поперечное сечение трубы.

Если рассматривать неподвижную горючую смесь, то при распростра­-нении фронта пламени резко нагретые газы не успевают расширяться, и в зо-не горения резко повышается давление, которое «распирает» и выталки­вает газы в обе стороны от пламени, причем выталкиваются не только про­дукты горения, но и возникает движение исходной смеси впереди фронта пламени, как на рисунке 29:

Скорость газов возрастает по мере сгорания исходной смеси и соответ­-ственно, давления газов. При этом с одного конца трубы выбрасываются сжа-тые раскаленные сгоревшие газы, а с другого выталкивается сжатая исходная смесь, которая взрывообразно воспламеняется от выброшенного пламени в атмосфере помещения с последующей ударной волной, пожаром и разруше­-нием.

7.4. Факторы ускорения горения.

Различные режимы дефлаграционного горения отличаются только ско-ростью распространения пламени в связи с неодинаковым развитием по­вер-хности фронта пламени. Горение первоначально неподвижного газа все­гда осложняется внешними возмущающими воздействиями, искажающими фор-му пламени. Важнейшими из них являются сила тяжести, трение и тур­були-зация горящей смеси.

Так, при поджигании в середине вертикальной трубы, как показано на рисунке 30, тяжелая исходная смесь распола- га­ется выше легких продуктов сгорания. При этом возни­кают конвективные потоки движения исходной смеси вниз, а про-дуктов горения – вверх. Под их влиянием фронт пламени рас-тягивается и горение ускоряется.

При распро­странении пламени вниз горючая среда не-подвижна и воз­мущение фронта пламени незначительно. При малых ско­ростях горения и длине трубы форма пламени близка к плоской.

Однако в этом случае газ также движется вниз по трубе вследствие расширения при сгорании. Трение дви­жущегося газа о стенки приводит к снижению его скоро­сти у периферии и растягиванию фронта пламени, и про­-филь скоростей фронта пламени также принимает вид ку­пола. Поверхность пламени прогрессивно увеличивается и горение ускоряется.

Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соот­ветственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает зна­чительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между про­дуктами сго-рания и исходной смесью и, соответственно, горения. Такое го­рение часто называют взрывом.

7.5. Условия возникновения взрыва.

Как мы выяснили ранее, взрывом называется химическое или физиче­-ское превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исходных веществ, продуктов их превращения и окружающей среды. Исходя из этого, химический взрыв – это крайне быстрая реакция горения, сопровождающаяся резким переходом вы­-делившейся тепловой энергии в энергию сжатия и движения исходных ве-ществ, продуктов сгорания и окружающей среды.

Взрыв состоит из трех стадий:

1) превращение химической энергии реакции в тепловую энергию;

2) превращение тепловой энергии в энергию сильно сжатого газа;

3) распространение сжатого газа в виде ударной волны.

Основными условиями протекания химической реакции в виде взрыва являются:

1. Экзотермичность , которая обусловлена тем, что прочность связей между атомами в продуктах реакции намного выше, чем в исходных вещест-вах, поэтому «лишняя» энергия высвобождается. При эндотермических реак-циях взрыва не происходит.

2. Образование газов , потому что:

· во-первых, переход в газообразное состояние при химической реак-ции любых веществ в постоянном объеме ведет к возрастанию дав-ления;

· во-вторых, газы имеют очень большой коэффициент объемного рас-ширения при нагреве. Без наличия газов будет происходить только разогрев вещества.

3. Высокая скорость реакции и ее способность к самораспростране-нию и самоускорению . Самораспространение происходит за счет либо теп-ловой «волны», осуществляемой теплопроводностью (дефлаграционный взрыв), либо ударной волны сжатых газов (детонация).

Тепловая «волна» поддерживается выделяющимся при горении теплом, а ударная волна – самим сжатым газом.

Автоускорение реакции и возникновение взрыва происходит в резуль-тате повышения температуры реагирующих веществ за счет теплоты реак-ции, либо увеличения активных радикалов, либо повышения давления в ударной волне.

При стационарном процессе горения положение фронта пла­мени в потоке остается неизменным. Рассмотрим схематическое изображение факела пламени в потоке горючей смеси. Если скорость W была бы равной нулю, то мы имели бы сферическое рас­пространение пламени с точечным источником в центре. Однако поток сдувает пламя в направлении своего движения и в то же время пламя перемещается навстречу потоку свежей горючей смеси со скоростью U n .

Рис.3.4. Схема стационарного фронта пламени

В результате наступает равновесие, при котором фронт пламени занимает стационарное положение, а поток приносит в зону горения свежие порции горючей смеси.

Рассмотрим элемент фронта пламени. Скорость потока W может быть разложена на нормальную и тангенциальную состав­ляющие W n и W τ , которые стремятся снести фронт горения. В направлении нормали n - n скорость уравновешивается нор­мальной скоростью распространения пламени +U n .

Очевидно, если скорость W изменится, то фронт пламени займет новое положение и установится под таким углом α, при котором проекция скорости на нормаль n - n станет рав­ной нормальной скорости горения U n . При этом сама скорость U n для данной смеси, естественно, является постоянной величи­ной (Рис.3.5). Таким образом, получим первое условие су­ществования стационарного фронта пламени

│ U n │=│W│cos α (3.2)

Это выражение установлено в 1890 г. русским физиком В.А. Михельсоном и носит название "закона Михельсона", или "закона косинуса". Согласно этому закону проекция скоро­сти набегающего потока на нормаль к поверхности стационар­ного фронта пламени всегда равна нормальной скорости горе­ния.

W">W W" >W α">α

Рис.3.5. Положение стационарного фронта пламени в потоках с разной скоростью

Рассматривая участок фронта, примыкающий к источнику поджигания, становится ясно, что на место сносимых горящих частиц не будут приходить новые, если источник перестанет работать. Компенсация уноса пламени в тангенциальном направлении осуществляется постоянно действующим источником поджигания стационарного фронта пламени.

Таким образом, существуют два необходимых и достаточных условия существования стационарного фронта пламени в пото­ке горючей смеси:

1. Равенство проекции скорости распространения пламени на нормаль и нормальной составляющей к фронту пламени от скорости
потока.

2. Наличие постоянно действующего источника поджигания
с достаточной интенсивностью.

Очевидно, если W τ = 0, то фронт пламени перпендикуля­рен потоку и второе условие отпадает.

Хорошей иллюстрацией расположения ламинарного фронта пламени в потоке является пламя горелки Бунзена. Устрой­ство горелки обеспечивает предварительное смешение горюче­го и окислителя, то есть топлива с воздухом. При поджигании смеси пламя, распространяясь по ней, стре­мится войти внутрь горелки, однако этому препятствует встречный поток. В результате устанавливается устойчивое динамическое равновесие, а стационарный фронт пламени принимает форму, при которой в каждой его точке нормальная к фронту составляющая скорости равна скорости распространения пламени в смеси данного состава при данных условиях.

Одни из первых исследователей этого вопроса Малляр и Ле-Шаталье назвали зону горения "голубым конусом", на поверхности которого в каждой точке выполняется закон Михельсона.

Механизм стабилизации пламени в горелке Бунзена иллюстрируется рис.3.6.

Рис.3.6. Схема образования фронта пламени в горелке Бунзена

Геометрическое место точек стабилизации С образует кольцо, располагающееся на некотором расстоянии от среза сопла горелки. В неподвижной смеси после поджигания пламя от точек С начнёт сферически распространяться и фронты пламени сомкнутся в точке В на оси потока.

При движении смеси каждая точка фронта пламени сносится потоком одновременно с расширением сфер и в результате образуется конический фронт пламени с вершиной в точке В касания сфер.

При постоянных значениях скорости в выходном сечении горелки и U n фронт пламени должен иметь правильную коническую форму. Однако вследствие роста U n у вершины пламени из-за нагрева смеси и снижения её около холодных стенок у основания конуса пламя имеет закругление. Если горючая смесь имеет α ≤1, то кислорода в смеси не хватает для полного её сгорания и оставшееся горючее догорает во вторичном, диффузионном фронте пламени в окружающем воздухе. Диффузионный фронт пламени имеет характерный желтый цвет.

Метод горелки Бунзена является одним из самых распространенных для определения нормальной скорости горения.