Вибрационное горение Раушенбах Б.В. (1014147), страница 53
Текст из файла (страница 53)
е. в условиях, которые полностью исключают какие-либо эффекты, связанные с вихреобразованием или смесеобразованием. Приведем поэтому описание некоторых механизмов обратной связи, непосредственно связанных с процессом горения. а) Скорость нормального распространения пламени. Эта скорость зависит от температуры смеси и ее давления; турбулентная скорость распространения может, кроме того, изменяться в зависимости от скорости потока и степени его турбулизации. При колебаниях газового столба в двигателе все перечисленные параметры потока (за исключением, может быть, степени турбулизации) имеют периодическую составляющую. Следовательно, и скорость распространения пламени будет меняться периодически, что может послужить причиной вибрационного горения.
Покажем это на примере возбуждения системы плоским фронтом пламени, скорость распространения которого зависит от температуры смеси и от ее давления перед зоной горения. Поскольку температура не входит в систему избранных переменных (р, и, г), то, воспользовавшись уравнением состояния р=дКТ и условием адиабатичности з=сопзФ, позволяющим связать р н о, представим скорость распространения пламени как функцию одного лишь давления перед зоной горения.
Обычно зависимости такого рода находятся экспериментально и представляются 314 мнхлеп1змы онглтной связи Ол У 11 в виде степенных функций б5 бгм) ( Рг ) где индексами «нуль» помечены начальные значения 651 и ри Рассматривая малые отклонения с51 от Цз>, можно написать (37Л) ИУ, = Г',"г Рг Будем считать, что начальные значения б51 и р„входящие в формулу (37.1), совпадают с 151 и р, в холодном участке трубы, и учтем, что в силу неподвижности фронта пламени относительно наблюдателя в установившемся теченнн и1= — б5, переходя к принятым в книге безразмерным переменным, получим из (37.1) 171 =. — хЛХ1РР. (37. 2) Здесь следует напомнить, что, как уже указывалось в ~ 16 при обсуждении системы (16.12), увеличению абсолютной скорости распространения пламени, в силу принятого правила знаков, соответствует с51( О.
Таким образом, при г) О увеличениго давления соответствует увеличение абсолютной величины скорости сгорания. Формула (37.2) описывает один нз возможных механизмов обратной связи, непосредственно связанных с процессом сгорания. Рассмотренный тип обратной связи относится к простейшему, приведенному в верхней части рис.
66. Основные параметры газового течения, р и Р, могут влиять на возбуждение автоколебаний не только через Г, но и через (гга. Зто будет происходить в тех случаях, когда полнота сгорания окажется функцией, например, скорости течения ги Колебания скорости течения перед зоной горения вызовут тогда колебания полноты сгорания, а следовательно, и колебания теплоподвода. Коли облечь зти рассуждения в аналитическую форму, то нетрудно получить для сг" выражение, аналогичное формуле (37.2). Легко сообразить, что для возбуждения акустических колебаний полнота сгорания должна достаточно интенсивно падать с увеличением скорости потока. механизмы, связлппыв с гогенизм 315 б) Наличие поджигающего источника.
Перечисленные выше механизмы обратной связи могли проявиться и в отсутствие специального поджигающего источника. Наличие такого источника приводит к возможности периодического нарушения поджигания смеси. Это связано с тем, что практически всегда существует некоторая скорость холодного потока, при которой происходит срыв горения. Скорость эта зависит от мощности поджигающего источника; ее существование обусловлено тем, что для поджигания горючей смеси требуется известное время контакта этой смеси с пламенем и, кроме того, само пламя должно быть достаточно мощным, чтобы не быть погашенным потоком. Вопрос этот достаточно подробно излагается в работах по теории горения и поэтому здесь разбираться не будет.
Пусть поджигающий источник, за который «держится» пламя, характеризуется некоторой критической скоростью течения л,*, при которой прекращается горение смеси, набегающей на поджигающий источник. Тогда в моменты времени, когда о,+би, > и,*, пламя будет отрываться от источника поджигания и уноситься потоком (конечно, если оно в предшествующие мгновения существовало). В моменты времени, когда г,+бе, ( и,*, процесс поджигания смеси будет возобновляться. Описанный здесь механизм обратной связи нередко играет существенную роль. Как правило, этот механизм наблюдается при горении смеси за стаоилнзатором на режиме сильно развитых колебаний. Несколько ниже этот случай будет рассмотрен более подробно.
Здесь же целесообразно начать описание подобного механизма с другого случая. Чтобы исключить влияние вихреобразования, были поставлены специальные опыты, в которых заранее подготовленная однородная смесь поджигалась тонкой и плоской ,газовой горелкой, установленной в трубе квадратного сечения с кварцевыми стенками. Газовая горелка была выполнена так, чтобы не нарушать заметным образом течения в холодной части квадратной трубы, а пламя за горелкой (при подаче по трубе чистого воздуха, без горючего) имело форму тонкого, короткого н плоского язычка, протянувшегося посередине квадратного сечения от одной кварцевой стенки камеры сгорания до противо- З(6 МЕХАНИЗМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ С» гп положной.
При подаче в трубу горючей смеси эта полоска постоянно существующего пламени, питавшегося горючим и кислородом от отдельного источника, поджигала горючую смесь, двигавшуюся вдоль камеры сгорания. Скоростная киносъемка через прозрачные стенки камеры сгорания, которая велась так, что оптическая ось съемочного аппарата была параллельна поджигающему язычку пламени горелки, т. е. перпендикулярна к прозрачной стенке камеры, позволила наблюдать «плоскую» картину горения за таким источником поджигания. В данном случае какие-либо явления, связанные с вихреобразоваиием, совершонно исключались. Никаких колебаний непрерывного фронта пламени за горелкой не наблюдалось. Как и при горении за плохо обтекаемым телом, в этом опыте главную роль играли срывающиеся с поджигающего источника объемы горящего газа, которые росли, перемещаясь вместе с потоком, пока не заполняли всего сечения.
На рис. 74 даны характерные кадры, полученные киносъемкой в этом эксперименте. На приведенных кадрах хорошо видно, как газовая горелка периодически поджигает горючую смесь, в связи с колебаниями скорости смеси. Прн увеличении скорости потока относительно горелки ее мощность оказывается недостаточной для поджигания смеси. Смесь воспламеняется вновь, как только колебательная составляющая скорости течения оказывается направленной против средней скорости течения.
Нечто аналогичное можно наблюдать и при горении заранее подготовленной горючей смеси за стабилизаторамн, выполненными в виде плохо обтекаемых тел, при сильно развитых колебаниях, сопровождающихся периодическим «забросом» пламени вверх по потоку, в области, лежащие перед стабилизатором. Более подробно этот процесс (но с несколько иной точки зрения) будет рассмотрен в гл. 1Х. Аналитическое описание такого явления, как периодический отрыв горящих молей от удерживающего пламя источника поджигания, не представляет трудностей. Здесь, как и в З 36, надо рассмотреть периодическое изменение объема горячих газов в камере сгорания )'г(«), перейти затем к эффективному возмущению скоростн ,, зт! МЕХАНИЗМЫ, СВЕЗ.тННЫК С ГИ!'ЕН!!ЕЫ Юлллллл Гллллли [ ~ Ялаглтз л ЯД~ ~) ллам'ла Г~~~'Л ь".тллл лве- ~~~й~й~ййз~ — ~ 7 $Я~~~Д~~-"' ЯЯ,4'лллсйал цу~;~~~р;р ~ лйбййФВ ,гл~ф ,с ~ЦЯНЬ АтЯ~ЯЯ лЯЯЦ~ЯЯЯ ~~Я~~~~Я л$$Д~;ДЯ 77~ Д а~ = Рис.
74. Характер виорационного горенка за горелкой, исключающей возможность вихреобразованин, зарегистрированный скоростной киносъемкой. 318 МЕХАНИЗМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ 1га. распространения пламени Ут и в конечном итоге получить формулу вида (36.4). Следует, правда, добавить, что такое описание легко осуществить для уже возникших автоколебаний. Если же попытаться рассматривать этот процесс как механизм возбуждения автоколебаний,начиная с бесконечно малых амплитуд, то сразу становится ясным, что подобное возбуждение невозможно.
Ведь отрыв пламени от источника поджигания может произойти лишь после того, как амплитуда колебаний скорости достигла необходимой величины. Таким образом, описанный механизм способен проявиться в двух случаях. Во-первых, если начальное возмущение было достаточно большим. Такие случаи известны в теории колебаний как случаи жесткого самовозбуждения. Во-вторых, может оказаться, что первоначально колебательная неустойчивость течения возникла в результате реализации другого механизма обратной связи, способного сделать систему неустойчивой по отношению к бесконечно малым возмущениям (мягкое самовозбуждение), и лишь после того, как амплитуды колебаний заметно выросли, колебательная система изменила механизм обратной связи на описанный выше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
