1598005881-4f87b42cfc9e80ed51b9133d1cb84af4 (811238), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Горению должно предшествовать смешение молей газа, что обеспечивает повышение температуры до точки воспламенения. Распространение пламени при соответствующих условиях достигается за счет турбулентного переноса таях молей, их смешения. и сгорания по законам химической кинеткки. К сожалению, теория. объемного горения не дает пока расчетных соотношений. Вопрос о механизме горения в турбулентном потоке до настоящего времени является дискуссионным.
Окончательный выбор модели в том или ином случае, по-видимому, станет возможным после накопления достаточного количества экспериментальных денных по основным характеристикам горения в турбулентном потоке. Для выяснения механизма горения необходимы и специальные эксперименты с проникновением в структуру турбулентного пламени.
Можно полагать, что в зависимости от условий возможен как поверхностный, так и объемный механизмы горения, а такие и наличие области, где они взаимно дополняют друг друга, существуя одновременно. 140 Недостаток всех существующих теорий турбулентного горения заключается в том, что внимание, как правило, сосредотачивается на скорости распространения пламени, но не изучэлтгся процессы в зоне горения и не рассматриваются такие величины,как время горения, протяженность зоны горения, динамика выпорения и теплонапрякенность. В то же время все эти величины являются характеристиками, в значительной степени определяющими процесс в камере сгорания и ее габарыты. 5 2.
Модель явления Модель явления, принятая нами за основу аналитических построений, является развитием представлений К.И.Малкина о турбулентном горении. При горении однороцной смеси в ламинарном потоке Фронт пламени представляет собой тонкую поверхность,отделяющую продукты сгорания от свежей смеси. Толщина поверхности, ыа которой происходит химическое превращение и выделение тепла, составляет з нормальных условиях доли миллиметра. При горении однородной смеси в турбулентном потоке пульсации как в направлении распространения пламени, так и в сторону продуктов сгорания деформируют Фронт пламени.
Истинный мгновенно за1шксировенный Фронт пламени является искривленной пове1щностью, разделяющей свежую и сгоревшую смесь и длшжущейся с нормальной скоростью по отношению к свежей смеси в направлении нормали к поверхности в каждой точке.распространение пламени с нормальной скоростью приводит к сокращению этой поверхности, а возцействие пульсацый увеличивает ее (фиг.у.1). Мгновенная регистрация турбулентного пламени теплеровским методом показана на фиг.у.2, У.З.
Если турбулентность полностью развилась и соотношение пульсационной и нормальной скорости достаточно велико, благодаря хаотическому движению пульсаций и распространению пламени с нормальной скоростью, отдельные объемы свеией смеси могут оказаться отрезанными от начального искривленного фронта пламени и будут гореть, окруженные пролуктами сгорания. Горение этих молей будет протекать также на пове1шности 141 тонкого слоя, аналогичного зоне нормального ламинарыого пла- мени, хотя поверхность этих молей, в своп очередь, может быть искривлена пульсациями высших порядков. Фиг.у.1.
СХема пламени в турбулентном потоке Принимая таиуш модель турбулентного горения, мы делаем следувщие допушения. Полагаем, что реакции в зоне турбулентного пламени происходят не в объеме ° а на повершности,аналогичной поверх- ности ламинарного пламени. Лля протекания реакции в объеме необходимо взаимное перемешивание продуктов сгорания и свежей смеси, что мало вероятно, так как продукты сгорания,имехшие высоц~ю температуру, и свежая смесь не могут сопршка- 142 миг.у.2.
Мгновенная регистрщвш пламени в турбулентном потоке Фиг.У.3. Мгновенная регистрация дакела пламеыи эа стаби- лизатором саться без образования фронта пламени. Воздействие пульсаций приведет не к перемешиванию молей, е к искривлению фронта пламени. Это происходит до тех пор, пока время смешения по порядлу величины не станет разным времени химических реакций в нормальном ламинарном пламени. Нагрев свежей смеси в результате лучеиспускания пламени невелик нз-за малой лучепоглощательной способности смеси и непродолиительности ее пребывания в зоне горения.
йоль сгорает с поверхности, но не увеличивает существенно температуру и скорость реакции в объеме. Пренебрегаем ролью мелкомасштабной турбулентности. При горении в реальных установках, масштабы турбулентности, равные ширине зоны нормального пламени и меньшие, лишь сопутствуют основным масштабам, занимая крайнее положение в спектре, и потому не могут оказать существенного влияния на горение. Не учитываем влияние кривизны поверхности на нормальную скорость распространения пламени.
Это влияние существенно лишь з тех случаях, когда радиус поверхности соизмеркм с шириной зоны нормального пламени. Не учитываем, что равновесные концентрации устанавливаютсн не сразу за лаапщшым фронтом пламени. Однако этим можно пренебречь, так как установление равновесных концентраций эа фронтом пламени не связано с выделением существенных количеств энергии. Принимается следухщнй механизм распространения пламени в турбулентном потоке. Турбулентные пульсации выносят отдельные участки фронта пламени вперед, в сторону свежей смеси.По прошествии характеристического для турбулентности времени (времени существования пульсации, времени смешения) направление пульсации будет меняться в любую сторону независимо от предыдущего ее движения.
Однако, благодаря но1л~альной скорости, пламя может перекинуться на одну из соседних пульсаций и вместе с ней продолжать движение вперед,в сторону свежей смеси. Распространение пламени, таким образом, обеспечивается как бы эстафетным движением быстрещлих точек. Скорость распространения пламени, подсчитанная по увеличению поверш- 143 ности, всегда тождественно совпадает с величиной Ит, подсчитанной по эстафетному механизму.
Развитие поверхности будет именно таким, какое требуется, чтобы сжечь все вещество, прошедшее фронт воспламенения. С этих позиций скорость распространения племени в турбулентном потоке долина определятьоя как скоростью пульсаций, выносящих участки фронта пламени вперед, в сторону свежей смеси, так и нормальной скоростью, передахщей горение от пульсации к пульсации. Условия, от которых зависит переход пламени с одного пульсируацего моля на другой, определяотсл отношением времени существования пульсации к времени прохождения пламени по самому турбулентному молю. Время существования пульсации (время смешения) Со можно записать так: е..
а" Время, необходимое пламени для пересечения моля размером , т.е. время сгорания моля в предположении,что пламя раопространяется по молю с нормальной скоростью, равно: е, ги. Отношение времени сгорания к времени смешения запишется Сг ( 1з Ф (У.13) йе й 6м Не Учитывая связь мекку размером моля и путем смешения,это отношение для изотропной турбулентности мозно записать особенно просто: 4г М' '(У.
14) йа Нн Лля случая неизотропной турбулентности, например, для потока в гладкой трубе, в атом выражении появится постоянный коэффициент, близкий к единице. 144 В зависимости от величины — рассмотрение явления сле- Ин дует разделить на два случая. Первый случай: — — — ( 1 — СЛабая турбулентность. М Йг Ие Второй случай: М' Фг — — — ) ~ — сильная турбулентяость. «Ин тр Подобное деление имеет не только 4ормальное сеновале,но и определенный ~изический смысл.
М(' Отношение — < 1 обозначает, что время жизни пульсацли больше, чем время, потребное пламени для пересечены моля с нормальной скоростью. Следовательно, в среднем прежде чем пульсирующий объем, несущий пламя вперед, изменит свое направление, пламя успеет сжечь весь этот объем и перейти на соседний. Таким образом, при слабой турбулентности изменение направления моля и переход пламени с одного моля на другой не будут сдерживать распространение племени по смеси в целом.
Отношение — л 1 обозначает, что время жизни пульсаые ции меньше, чем время, необходимое пламени для прохождения с нормальной скоростью по самому молю. Переброс пламени с одного моля на другой возможен в среднем лишь по истечении времени, потребного для сжигания характерного объема турбулентного потока, пля прохоидения племена по молю. Следовательно, моль, несущий пламя, успеет совершить несколько движений, раньше че» пламя будет подхвачено следухщей пульсацией. В среднем число этих движений разно — .
Таким образом,ско- ~Ф Ин рость распространения пламени в этом случае определяется перемещением участков Фронта пламени за характеристическое время горения. $ 3. Распространение пламени прй слабой турбулентности Так как изменение направления пульсирующих молей и переход пламени с одного моля на щ~угой при слабой турбулентности не сдерживают распространения пламени по смеси в целом, 145 то расчет скорости распространения пламени может быть сведен к расчету распространения пламени в потоке со ствционарннм профилем скоростей. Представим себе, что двухмерный поток, имехщий среднюю скорость Ь/, состоит из отдельных струек,имелщих скорости )лl+ М/~и )~/ — Ч(' (фмг.у.4).
Положим, что стр~Ьщ 1, 2, 3 стационарны, т.е. всегда имеют постоянные направления и величины скорости, указанные а// на фиг.у.4. Пламя в подобном П аФР потоке распростран~ ется следуюдим образом. Перемеиаясь С л с нормальной скоростью относительно струек т и 3 свежей смеси, имехщей скорость 4 Ю ~с/+ ~', пламя будет иметь скорость распространения от- ~ийювйФ носнтсльно смеси в целом,равную сумме пульсационной и с(н 6 Фиг.у.4. Поле пульсэционннх скоростей и фронт пламени нормальной скоростей.На осталь- ннх участках в струйьзх, соседних с первой и третьей, смесь обязательно сгорит вследствке распространения пламени з поперечном направлении.Нетрудно убедиться, что общее развитие поверхности как раз обеспечит скорость распространения пламени, равную сумме пульсацнонной и нормальной скоростей.
Рассмотрим повторлхщийся элемент поверхности пламени ЛВС. Свяжем систему координат с поверхностью пламени АВ . Размер поверхности в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, примем равным единице. Тогда участок ЛВ будет иметь поверхность, равную ь . На участке В0 скорость птепашьч смеси относительно поверхности ЯВ равна Ие + 2ь~'. Равенство составлялщей скорости втекания, нормальной к попер~ности пламени, и нормальной скорости распространения пламени дает: (и. аи)бак= ц„ 146 где сС - угол иенцу поверхностью Фронта пламени на рассматриваемом участке и направлением скорости втекания вещества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
