Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 13

Скорость распространения пламени 54 определяется в этом случае как 50 = 17, з)п а, (2.19) Рис. 2.5. Влияние давления на скорость нормального распространения пламени в пропанововдуглнмх смесях 1131. (2.20) где Уг — скорость перемещения пламени, Аг — плошадь поперечного сечения трубы, Аг — площадь поверхности пламени. где У, — локальная скорость газа на радиусе г, сс — угол наклона фронта пламени по отношению к оси (половина угла при а вершине конуса пламени, см. рис. 2А). Пропан % Большая часть ошибок в 4,0 методе с использованием го- 0,6 репки Бунзена возникает при измерении площади поверхноот 5,4 стз сти пламени, что связано с пониженной скоростью распространения пламени вблизи среза горелки и трудностью точного определения положения 5 б т б основания конуса пламени.

Гп Р, кПа Некоторых погрешностей, свойственных трубчатым горелкам с коническими пламенами, можно избежать, используя горелки с «плоским пламенемв 1121. Они особенно удобны для измерений в предельно бедных или предельно богатых смесях и исследований пламен при низких давлениях смеси, когда значительная толщина зоны пламени не позволяет точно измерить площадь поверхности в случае конического пламени. Метод измерения скорости распространения пламени в трубе. Метод определения величины 54 по измерениям скорости распространения пламени в трубе выглядит очень заманчиво, особенно при исследовании влияния давления, так как изменять и контролировать уровень давления в трубах достаточно просто.

Дополнительным преимуществом является невозможность подмешиваиия газа из окружающей среды к свежей смеси. Скорость перемещения пламени в трубе может быть определена, например, посредством регистрации свечения пламени на кинопленке. Затем, используя шлирен-фотоснимки для определения площади поверхности фронта пламени, скорость нормального распространения пламени можно получить из соотношения 5, = У,Аг/АР 65 элементы теории горения Факторы, влияющие на скорость распространения ламинарного пламени Наиболее важными факторами, определяющими скорость распространения ламинарного пламени, являются величина отношения топливо/воздух к, температура Т и давление Р смеси. ,0,6 0,4 1, а, 'л ад 02 а,1. а 0,0 08 7,0 1,2 1,4- 10 чз Рис.

2.6. Скорости распространения пламени в углеводороде-воздушных смесях при нормальных температуре и давлении 151. т — метан; д — и-гептан;3-этан;а в пропав. юа гаа заа 400 ааа ааа лйчалзная мемперауаирисмеси,к Рис. 255 Влияние начальной температуры смеси на максимальную скорость распространения пламени 1141. — ° — Стнз с воздухом: — — — Сзнв с воздухоте — Сиз с воздухом. Отношение топливо/воздух.

Рис. 2.5 иллюстрирует изменение скорости распространения ламинарного пламени в зависимости от величины коэффициента избытка топлива зр для ряда углеводородовоздушных смесей. Зависимость скорости распространения от состава смеси приблизительно соответствует изменению температуры пламени. Почти во всех случаях максимум скорости наблюдается при 1,05 < тр < 1,10.

Исключениями из 5 зап. 761 Площадь сечения трубы н скорость перемещения пламени могут быть измерены с высокой точностью, и, таким образом, точность определения 54 целиком зависит от погрешности, с которой может быть определена площадь поверхности пламени. В работе 113] измерения в трубе были применены при исследовании влияния давления на скорость нормального распространения пламени. Условие горения при постоянном давлении обеспечивалось тем, что открытый конец трубы был присоединен к достаточно большой емкости, в которой поддерживалось постоянное давление и в которую поступали продукты сгорания. Площадь поверхности пламени определялась по крупномас1птабным отпечаткам, полученным с мгновенных шлирен-фотоснимков пламени в начальный период его перемещения в трубе (квадратного сечения со стороной 2,5 см), когда это перемещение было равномерным. Соответствующие результаты для пропановоздушных смесей приведены на рис.

2.5. ьб Глава Х этого общего правила являются водород и окись углерода. Для них скорости распространения достигают максимума при гр — 2. Начальная температура смеси. Влияние начальной температуры смеси в диапазоне ее изменения от 141 до 6!7 К на скорость распространения пламени в смесях метана, пропана и этилена с воздухом исследовалось в работе 1141.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что с повышением температуры скорость распространения пламени возрастает (рис. 2.7). Экспериментальные данные обобшаются следующими эмпирическими уравнениями: метан: 5ь = 0,08+ 1,60 ° 10 аТ2;"; (2.21) пРопан: 5ь=0,10+ 3,42 10 аТ2; (2.22) этилен: 5ь = 0,10+ 26,9 10 ~Так". (2.23) В работе [16] аналогичным исследованиям подвергались смеси паров бензола, и-гептана и изооктана с воздухом в диапазоне изменения температуры от 300 до 700 К. Использовалась горелка Бунзена; скорость распространения определялась по измерениям полной площади поверхности пламени. Были получены следующие эмпирические уравнения для скорости распространения: бензол: 5ь = 0,3+ 7,91 10 ~Т';~', (2.

24) и-гептан: 5ь = 0,198 + 2,49 10 ~Т„''~; (2.25) изооктан: 5ь = 0,121+ 8,36 10 ~Та''~. (2.26) Давление. В теории горения давление является важным параметром, влияние которого может быть связано с порядком химической реакции соотношением вида р<л-т!Га Следовательно, при бимолекулярной реакции скорость распространения пламени не должна зависеть от давления.

Однако похоже, что это справедливо только для обогащенных кислородом высокотемпературных пламен. В целом для быстрогорящих (5ь > 0,6 м/с) смесей скорость паспространения пламени либо не зависит от давления, либо слегка возрастает при его увеличении. Для медленногоряших (5с ( 0,6 м/с) смесей скорость распространения пламени уменьшается с повышением давления. Таким образом, влияние давления, наблюдаемое в опытах, может быть аппроксимировано простой зависимостью рл где х изменяется от 0 до — 0,5 для медленногорящих смесей и равен нулю или небольшой положительной величине для быстрогорящих смесей. Изучением влияния давления на скорость 67 Элементы теорнн горения распространения ламинарного пламени занимались многие ис- следователи [13, 16 — 19).

Результаты, полученные в трубе для пропановоздушных смесей [13], показаны на рис. 2.5. Вь = ~ —, .~ .' Еехр( — — „~ [А]' [В] ~ (2.30) Теория распространения ламинарного пламени Теоретическое рассмотрение процесса распространения пламени требует привлечения уравнений газовой динамики в совокупности с уравнениями для диффузии и скорости химической реакции. Они включают: 1) уравнение состояния, обычно для идеального газа, 2) уравнение движения, 3) уравнение сохранения энергии и 4) уравнение неразрывности с членами, обусловленными диффузией и химической кинетикой, для каждого химического компонента [20]. Среди разработанных к настоящему времени теорий распространения ламинарного пламени имеются: !) чисто тепловые теории (распространение лимитируется теплопередачей); 2) диффузионные теории (распространение лимитируется переносом вещества, в частности диффузией активных центров, инициирующих цепные реакции); 3) диффузионно-тепловые теории.

Первая теория распространения пламени была предложена Маляром и Ле Шателье [21]. Она целиком базировалась на тепловой концепции. Предполагалось, что зона пламени находится при постоянном давлении и состоит из двух частей, обозначаемых как зона 1 и зона 2. В зоне 1 смесь нагревается от своей начальной температуры Тд до температуры воспламенения Ть Эта зона может быть названа зоной подогрева. В зоне 2, зоне реакции, ооразуются продукты сгорания с температурой Ть Точка воспламенения отделяет зону подогрева от зоны реакции. Из рассмотрения процесса теплообмена между зонами подогрева и реакции получается выражение для скорости распространения ламинарного пламени т — тт Вь=— (2.27) ртгл Тт — то При этом толщина зоны реакции равна б = оь1 = оьlг (2.28) где 1 — время реакции и г — скорость реакции.

Далее, имеем г = Я ехр [ — — ) [А]' [В]~, (2.29) где [А), [В] — мольные доли, Š— энергия активации,  — универсальная газовая постоянная, х„ а, 6 — константы. Предполагается, что реакция идет при температуре Тп Тогда Глава 2 Яь (а «) ', (2.31) где ох — коэффициент температуропроводности. В теории Зельдовича и др.

[22] важным результатом было исключение из рассмотрения температуры воспламенения Ть В' предположении, что температура воспламенения, выше которой все реакции начинают идти с заметной скоростью, близка к температуре пламени Ть было выведено следующее уравнение для реакции второго порядка [22, 23]: ( То)2 Я ехр ( — Е)КТо) (ЙТ х заел (1 о) Заметим, что предсказываемая этим уравнением зависимость от давления нулевая, так как а 1/ро 1д', Со р, Р, (2.32) и, следовательно, Бс Р'. ТУРБУЛЕНТНЫЕ ПЛАМЕНА В ОДНОРОДНОЙ СМЕСИ Хотя уже давно признано, что турбулентность значительно увеличивает скорость распространения пламени, о чем свидетельствуют высокие скорости сгорания топлива в поршневых и газотурбинных двигателях, тем не менее характер и степень влияния турбулентности все еще выяснены не полностью.

Первый вклад в изучение природы турбулентных пламен был сделан Дамкелером [24]. Он предположил, что турбулентное пламя имеет ту же структуру, что и ламинарное, и связал наблюдаемое увеличение скорости горения с вызываемым турбулентностью искривлением фронта пламени, что увеличивает плошадь его поверхности по сравнению с гладким ламинарным фронтом и, следовательно, способность «перерабатывать» свежую смесь.

Дамкелер предложил для скорости распространения турбулентного пламени при крупномасштабной турбулентности следующее Введение величины Т; является не более чем удобством с точки зрения математика, поскольку реакция в действительности идет даже при начальной температуре Т,, поэтому разделение на зоны подогрева и реакции представляет собой схематизированное упрошенпе процесса. Величина Т; неизвестна, и ею может быть любая температура между Т, и Ть Следовательно, из уравнения (2.30) вычислить скорость распространения пламени невозможно. Однако из рассматриваемой теории следует важный результат, который дают и более сложные тепловые теории [22, 23]: 69 Элементы теории горение выражение: 8г=5с+ и', (2.33) где и' — среднеквадратическое значение пульсаций скорости. В дальнейшем появился ряд теорий, использующих концепцию искривленного фронта пламени и отличающихся от теории Дамкелера (н одна от другой) главным образом способом увязывания характеристик турбулентности с результирующим увеличением поверхности пламени.