Горение газа вблизи пределов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, доктор физико-математических наук Замащиков, Валерий Владимирович

• Замащиков, Валерий Владимирович
• доктор физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Замащиков, Валерий Владимирович

Ведение.

Глава 1. Влияние конвективного теплообмена на пределы распространения пламени.

1. Пределы распространения пламени в трубах.

1.1. Тепловая теория. Критический диаметр.

1.2. Влияние свободной конвекции.

1.2.1. Распространение пламени по вектору силы тяжести.

1.2.1.1. Описание модели и сравнение с экспериментом.

1.2.1.1.1. Модель.

1.2.1.1.2. Решение уравнений.

1.2.1.1.3. Сравнение с экспериментом.

1.2.2. Распространение пламени против вектора силы тяжести.

1.3. Гашение пламени во вращающемся диске.

Основные результаты.

Глава 2. Распространение пламени в узких трубках, диаметр которых больше критического.

2.1.1 Экспериментальная установка.

2.1.2. Форма фронта пламени.

2.1.3. Акустические колебания.

2.1.4. Видимая скорость.

2.2. Зависимость нормальной скорости от кривизны и растяжения.

Основные результаты.

Глава 3. Горение жидкости в узких трубках в потоке воздуха.

3.1. Влияние встречного воздушного потока на распространение пламени над горючей жидкостью.

3.1.1 Эксперимент.

3.1.2. Результаты и обсуждение.

3.2. Влияние частоты модуляции скорости воздуха на горение жидкости.

3.2.1. Установка.

3.2.2. Результаты.

Основные результаты.

Глава 4. Экспериментальное и теоретическое исследование режима горения с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического.

4.1. Возможность газового горения в трубках, диаметр которых меньше критического.

4.2. Режим с прогревом стенки в трубках из различных материалов.

4.3. Переход из обычного режима в режим с прогревом стенки в трубках, диаметр которых больше критического.

4.4. Влияние состава смеси на скорость пламени в режиме с прогревом трубки.

4.5. Влияние типа горючего.

4.6. Распределение температуры в стенке трубки.

4.7. Влияние теплопотерь в окружающую среду.

4.8. Влияние внешних возмущений на горение в режиме с прогревом стенки.

4.9. Пределы.

4.10. Влияние поверхности на цепные разветвленные реакции.

4.11. Влияние давления на горение газа в режиме с прогревом стенки.

4.11.1 .Эксперимент.

4.11.2. Результаты.

4.11.3 Измерение нормальной скорости в бомбе постоянного объема.

4.11.3.1. Установка.

4.11.3.2. Измерение нормальной скорости по начальному участку записи давления.

4.11.3.3. Измерение нормальной скорости по зависимости радиуса очага от времени.

4.12. Оценочная теоретическая модель горения в режиме с прогревом стенки.

4.12.1. Физическая модель.

4.12.2. Основные уравнения и граничные условия.

4.12.3. Сравнение с экспериментом.

4.13. Сравнение режима низких скоростей (РНС), наблюдаемого в пористой среде, и режима с прогревом стенки.

Основные результаты.

Глава 5. Исследование режима горения в осесимметричном расходящемся газовом потоке внутри зазора между параллельными плоскостями.

5.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов.

5.1.1. Первая серия экспериментов.

5.1.2. Вторая серия экспериментов.

5.2. Результаты, полученные в первой серии экспериментов.

5.3. Результаты, полученные во второй серии экспериментов.

5.4. Численное моделирование.

5.4.1. Модель.

5.4.2. Граничные условия.

5.4.2.1. Газ.

5.4.2.2. Диски.

5.5. Результаты численного расчета.

5.5.1. Калибровка модели.

5.5.2. Адиабатический случай (нет проскальзывания газа на границе).

5.5.3. Неадиабатический случай.

5.5.4. Возрастание предэкспоненциального множителя в законе

Аррениуса вблизи поверхности диска.

Основные результаты.

Глава 6. Неустойчивый режим горения в узкой щели.

Спиновое горение газа.

6.1. Газовые вращающиеся пламена.

6.1.1. Экспериментальная установка.

6.1.2. Результаты.

6.2. Спиновое горение в пространстве между двумя дисками.

6.2.1. Эксперимент.

6.2.2. Результаты.

Основные результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Горение газа вблизи пределов»

Актуальность работы. Под пределом распространения пламени будем понимать параметр, определяющий границу существования некоторого стационарного волнового процесса горения. Предел обусловлен гашением пламени или сменой режима распространения. Смена режима может быть связана с появлением или вырождением принципиальных свойств режима, изменением механизма распространения и с другими причинами.

Наиболее часто под пределом понимается прекращение химических реакций, что обусловлено проблемами пожаровзрывобезопасности. Однако даже в простейшем случае пламени в гомогенной газовой смеси нарушение теплового баланса, приводящее к гашению, может происходить по разным причинам: в результате кондуктивного или конвективного теплообмена, в результате деформации фронта пламени (стреч-эффект) и по другим причинам. Пределы типа режимного перехода наблюдаются, например, при фильтрационном горении газов при переходе горения в детонацию в процессах с потерей устойчивости.

Как правило, предел реализуется при изменении какого-либо определяющего параметра. Это отражается часто в используемых терминах: "концентрационный предел", "температурный предел", "предел по давлению", "предел по размеру" ("критический диаметр"). В названии предела может быть отражена природа предела: кондуктивный, конвективный, радиационный и др.

Предел - это факт, событие, которому предшествуют процессы и причины, приводящие к этому факту, событию. Поэтому, кроме собственно пределов представляют интерес и околопредельные явления. Предкризисное состояние системы очень информативно и заслуживает внимания и изучения. Например, в каналах, близких к предельным по способности к распространению пламени, важны не только критические параметры скорости пламени или концентрации топлива, но и параметры причастных процессов и эффектов: гравитационной конвекции, гидродинамической и диффузионно-тепловой устойчивости, гидродинамического сопротивления, кривизны и деформации пламени, теплопотерь из зоны пламени. Учет роли и значения этих факторов в каждом конкретном случае - сложная задача.

Актуальность обсуждаемой проблемы обусловлена рядом обстоятельств. Во-первых, необходимостью понимания механизмов реализации новых стационарных режимов горения, так как эти механизмы тесно связаны с природой пределов. Во-вторых, необходимостью решения принципиальных вопросов пожаровзрывобезопасности для разработки научных основ и создания стандартов в области охраны труда, в частности, стандартов по определению показателей пожаровзрывоопасности веществ, материалов, технологических процессов, гражданских зданий и промышленных сооружений. В-третьих, необходимостью обоснованного прогноза пожаровзрывопасности в новых областях человеческой деятельности: освоения космоса, строительстве высотных зданий и сооружений, использовании экстремальных состояний веществ, в операциях с веществами, обладающими уникальными свойствами. Отметим еще одну причину, по которой обсуждаемая проблема является актуальной. В последнее время в связи с потребностью в миниатюрных и энергоемких источниках питания, миниатюрных горелках и микродвигателях активно исследуются процессы горения в микро реакторах. Согласно тепловой теории Зельдовича Я.Б. существует критический (тушащий) размер канала. Он характеризуются тем, что пламя не может проникнуть в более узкие каналы вследствие теплопотерь в стенки из фронта пламени. С другой стороны, при создании миниатюрных ректоров желательно, наоборот, организовать горение в реакторах, размер которых меньше критического.

В историческом аспекте важное инициирующее влияние на развитие науки о пределах имела работа Я. Б. Зельдовича [1]. В этой работе показано, что причиной возникновения пределов распространения пламени являются теплопотери в стенки трубки и теплопередача излучением. В узких трубках реализуется первый случай. В широких трубах (более 5 см) - теплопотери излучением. Если теплопотери связаны с теплоотдачей в стенки трубки, по которой распространяется пламя, то количественным критерием для предела распространения пламени является критическое число Пекле Ре=8ис1/х=сопэ!:, где Зи - нормальная скорость, с1 - критический диаметр, % - коэффициент температуропроводности. Интересно, что Д. А. Франк-Каменецкий пишет: "Теплоотвод непосредственным соприкосновением имеет место только при распространении пламени в трубах конечного диаметра. Но теплопотери излучением существуют всегда, их относительная величина зависит только от состава смеси. Именно теплоотвод излучением определяет концентрационные пределы распространения пламени" [2]. Таким образом, в работе [1] дан анализ только одного определяющего процесса - теплоотдачи из зоны пламени. Данная работа - это попытка посмотреть на проблему пределов с другой точки зрения и учесть другие процессы, которые могут быть ответственными за реализацию пределов.

Среди наиболее актуальных задач изучения околопредельных и предельных явлений, наблюдаемых при распространении газовых пламён, были выбраны:

- исследование влияния гравитационной конвекции

- исследование влияния движения горючей смеси по каналу

- исследование влияния движения окислителя по каналу над горючей жидкостью

- исследование влияния прогрева стенки канала распространяющимся по каналу пламенем

- исследование неустойчивого и стабильного горения в расходящемся газовом потоке в узком канале.

Названные задачи являются предметом исследований данной диссертации.

Цель данной работы. Целью настоящей работы является установление закономерностей и создание моделей околопредельных и предельных явлений, наблюдаемых при распространении газовых пламён. Для достижения данной цели автором проведены детальные исследования:

1. влияния конвективного теплообмена на пределы распространения пламени;

2. динамики, структуры и пределов существования пламен, распространяющихся в потоке горючей смеси в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического;

3. переходов из обычного режима (без прогрева стенки) в новый режим с прогревом стенки и обратно;

4. режима и скоростных характеристик пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического;

5. нового режима с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического;

6. режимов горения и условий стабилизации пламени в расходящемся газовом потоке внутри зазора, ширина которого как больше, так и меньше критического.

Диссертация состоит и шести глав. Первая глава посвящена изучению конвективных пределов. В ней дается краткий обзор работ по этой теме, и приводятся экспериментальные и теоретические результаты, полученные в настоящей работе по распространению пламени в вертикальной трубе сверху вниз и снизу вверх. Показано, что предел распространения пламени сверху вниз определяется конвективным теплообменом, и это проявляется в не зависимости предельной концентрации горючего в смеси от диаметра трубы.

В трубах, диаметр которых близок критическому, свободная конвекция, напротив, не оказывает большого влияния, а основными теплопотерями становятся кондуктивные. Вс> второй главе рассматривается этот случай.

Показано, что в узких трубках возможны два режима: полученный впервые в 9 настоящей работе - режим с прогревом стенки и обычный режим, когда стенка холодная. В этой главе исследуется в основном обычный режим, в частности, переход из ламинарного горения в турбулентное. Третья глава посвящена исследованию горения жидкости в узких трубках в потоке воздуха. В ней изучается влияние скорости потока воздуха и ее модуляции на характеристики волны горения. Результаты детального исследования, полученного впервые в настоящей работе режима с прогревом стенки, приводятся в четвертой главе. В этой главе рассмотрено влияние размера и материала трубки, давления, состава смеси и теплообмена с окружающей средой на характеристики волны горения. Пятая и шестая глава посвящены исследованию горения в предложенной в настоящей работе горелке. В этой горелке создается осесимметричный расходящийся газовый поток внутри зазора между параллельными плоскостями. Условия стабилизации и основные характеристики стабилизированного пламени изучаются в пятой главе. В шестой главе рассматривается неустойчивое горение, которое наблюдается в случае, когда зазор между пластинами больше критического. Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые на момент их публикации:

1. Обнаружено, что в трубах с внутренним диаметром больше, но порядка критического при наличии потока горючей смеси существуют два стационарных режима горения: при низких скоростях потока - обычный режим и при высоких скоростях - неизвестный ранее режим с прогревом стенки. Установлены область существования пламени, колебательные явления и другие особенности этих режимов. Для режима с прогревом стенки наблюдается нижний и верхний пределы по расходу горючего газа. На нижнем пределе имеет место плавный переход из этого режима в обычный режим и обратно. На верхнем пределе - скачкообразный переход из режима с прогревом стенки в обычный режим. Показана возможность распространения пламени в более широких концентрационных пределах в каналах в режиме с прогревом стенки, чем в каналах большего диаметра, но в обычном режиме.

2. Получены скоростные и структурные характеристики, а также установлено влияние размеров трубки, материала стенки трубки, состава смеси, типа горючего и давления на скорость пламени в режиме с прогревом стенки в трубках с внутренним диаметром меньше критического. Создана модель процесса.

3. Получены пламена, стабилизированные в расходящемся газовом потоке в щели, размер которой существенно меньше критического, и обнаружены аномально высокие скорости сгорания. Создана двухмерная модель данного процесса.

4. Обнаружены и изучены вращающиеся и спиновые пламена. Установлены условия их существования, скоростные характеристики, природа и особенности этих явлений. Показано, что если вращающиеся пламена локализуются на краю горелки (за пределами щели), то спиновые пламена локализуются внутри щелевого пространства горелки. Первые обусловлены недостаточным поступлением смеси к зоне пламени, вторые - взаимодействием стенки с зоной горения. Обнаружено существование многоголовой структуры вращающихся пламен.

5. На основе развитых представлений о роли гравитационной конвекции в гашении газового пламени аналитически решена задача о критическом условии в области совместного влияния кондуктивного и свободно-конвективного теплообмена. Экспериментально показана независимость предела распространения пламени от диаметра трубы в области параметров, предсказанных теорией.

6. Установлено, что средняя скорость пламени, распространяющегося над горючей жидкостью в трубках с внутренним диаметром больше, но порядка критического, уменьшается с увеличением скорости набегающего на него воздуха. Обнаружена зависимость скорости пламени от частоты и амплитуды модуляции скорости набегающего на него воздуха.

Практическая ценность.

1. Возможность проникновения пламени в каналы, размер которых меньше критического, необходимо учитывать при создании огнепреградителей и оборудования во взрывозащищенном исполнении, а также других устройств, где используется неспособность пламени проникать в узкие каналы.

2. Экспериментально получено, что возможна стабилизация пламени в щелях, размер которых существенно меньше критического. Этот результат имеет практическое значение с точки зрения создания миниатюрных источников питания, горелок, двигателей и т. д.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования. Полученные экспериментальные результаты были проанализированы и обобщены с использованием современных теоретических представлений теплофизики, гидродинамики и химической кинетики. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена комплексным и систематическим характером выполненного исследования, их сопоставлением с результатами, полученными другими исследователями, согласием с общими физическими представлениями о процессах, а также оценкой баланса массы и энергии, когда это возможно. Обоснованность аналитических моделей подтверждается сравнением с современными наиболее достоверными результатами других исследователей, а также хорошим согласием результатов, полученных с использованием этих моделей с экспериментальными результатами данной диссертации. Достоверность результатов численного решения дифференциальных уравнений обусловлена применением хорошо зарекомендовавших себя современных методов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных форумах:

1. Всероссийский Семинар: Динамика Многофазных Сред. Новосибирск. 2000.

2. IV international school-seminar. Minsk. Belarus. 2-7 September. 2001.

3. Международная конференция. Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатика и экология. Томск. 2007

4. International Conference on Methods of Aerophysical Research, ICMAR 2008. Novosibirsk.

5. 7th International seminar on flame structure. Novosibirsk July 11-19, 2011.

6. Сессия Научного совета РАН по горению и взрыву. "Современное состояние вопроса о пределах распространения пламени в газах". 11 апреля 2012 г., ИХФ РАН. Москва. Устный доклад.

Публикации. Полное количество публикации 51. Результаты настоящей работы изложены в 24-х публикациях, из них 21 статья опубликована в рецензируемых международных и российских журналах, рекомендованных ВАК.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической кинетики и горении СО РАН. Исследования проводились в соответствии с планами научно исследовательских работ ИХКГ СО РАН. Работа поддерживалась грантами: INTAS-96-1173, РФФИ 98-03-32308, РФФИ 99-03-32309, РФФИ 03-03-32357, РФФИ 93-03-18508, №111,2007 СО РАН