З.З. Ламинарное распространение пламени

Распространение экзотермических реакций в газовых сме­сях в реальных условиях происходит при наличии градиентов температуры и концентрации и вызванных ими потоков тепла и вещества. Если холодную горючую смесь подогреть в точке локальным источником тепла до высокой температуры, то в соответствии с законом Аррениуса в этой точке экспоненци­ально возрастет скорость реакции. Выделившимся теплом за счет теплопроводности будут нагреты новые слои свежей сме­си, в которых также начнется воспламенение. Одновременно в зоне подогрева и реакции будет иметь место взаимная диф­фузия продуктов сгорания и свежей смеси. В результате све­жая смесь быстро сгорит и превратится в продукты сгорания. Этот процесс носит название ламинарного (послойного) го­рения.

Геометрическая поверхность, на которой в данный момент происходит воспламенение и которая отделяет продукты сго­рания от свежей смеси, называется фронтом пламени.

Фронт пламени имеет толщину порядка 1 мм и на этой тол­щине происходит повышение температуры от начальной Т₀ до температуры горения Т_Г.

Если фронт пламени плоский или имеет большой радиус кри­визны, то толщиной фронта пламени можно пренебречь и рас­сматривать волну реакции как тепловой скачок, в котором происходит мгновенное повышение температуры до Т_Г.

Скорость движения пламени относительно холодной сме­си в направлении нормали называется нормальной скоростью горения U_n.

Скорость U_n не изменится, если свежая смесь будет пере­мещаться в трубе. При этом не должна нарушаться ламинарность движения (Re ≤ Re_кр), однако видимая скорость го­рения будет в этом случае отличаться от U_n.

Перепад температур Т_Г - Т₀ и нормальная скорость горения являются основными характеристиками горения во фронте пла­мени.

Так как передвижение фронта пламени определяется диф­фузией и теплопроводностью, то вектор скорости будет на­правлен по нормали к поверхности пламени и U_n = , поэтому U_n и называется нормальной скоростью горения.

Нормальная скорость горения является физико-химической констан­той для заданной горючей смеси (состав, Т₀, p₀).

В большинстве промышленных топочных устройств для сжи­гания топлива организуется горение во фронте, которое в реальных условиях осложняется турбулентностью и процессами смешения горючего и окислителя. При зажигании смеси в трубе у открытого конца равномер­ное распространение пламени в ней происходит на начальном участке, равном примерно (1/5 ÷ 1/4) длины трубы. Продукты сгорания в начале трубы имеют возможность выходить наружу и распространение пламени происходит при постоянном давлении, что было показано Малляром и Шателье. Затем перемещение пламени теряет равномерность, возникают колебания, резкое увеличение скорости до нескольким сотен метров в секунду и резкие толчки давления. Этот режим называется вибрационным горением. Если пламя не гаснет, то процесс может перейти в третью стадию. На этой стадии в смеси возникает волна сжатия, переносящая фронт пламени в трубке со скоростью нескольких километров в секунду. Режим третьей стадии стабильный, но качественно отли­чается от режима первой стадии и называется детонацией.

Рис.3.3. Распространение фронта пламени в трубе

Последовательные фотографии пламени, распространяющегося в цилиндрической трубке, показали, что фронт пламени имеет криволинейную форму, которая определяется параболическим профилем скорости, охлаждающим воздействием стенок, а при горизонтальном расположении трубки и гравитационными токами (рис.3.3). Это обстоятельство явилось причиной безуспешности многочисленных попыток измерения нормальной скорости горения U_n путем наблюдения за скоростью распространения пламени в трубках, открытых с одного конца. Если поверхность стационарного фронта пламени наклонена к оси трубки, то суммарная, или видимая скорость распространения такого пламени вдоль трубки во столько раз больше U_n, во сколько раз поверхность пламени F_пл больше поперечного сечения трубы F_тр .

V_ср.пл. = U_n· .

Только открытие закона Михельсона (1890 г.) позволило дать пра­вильное определение нормальной скорости горения и разработать методы однозначного измерения U_n, экспериментально показать что нормальная скорость горения действительно является физико-хи­мической константой данной горючей смеси.