Багаття без полум'я Дув вітер, мілко снігом, перехожі прискорювали крок. Але шість чи сім хлопчаків самозабутньо кричали, стовпившись на тротуарі біля невеликого кам'яного будинку. - Скільки дав за нього? - Три карбованці! він

Духовний фронт імперії Духовний фронт імперії Про роман Олександра Проханова «Людина Зірки» Михайло Кільдяшов 25.07.2012

Фронт без флангів Фронт без флангів Юрій Котенок 26.09.2012

При стаціонарному процесі горіння становище фронту полум'я у потоці залишається незмінним. Розглянемо схематичне зображення факела полум'я у потоці горючої суміші. Якщо швидкість W дорівнювала б нулю, ми мали б сферичне поширення полум'я з точковим джерелом у центрі. Однак потік здуває полум'я в напрямку свого руху і водночас полум'я переміщається назустріч потоку свіжої горючої суміші зі швидкістю U n .

Рис.3.4. Схема стаціонарного фронту полум'я

В результаті настає рівновага, при якому фронт полум'я займає стаціонарне положення, а потік приносить до зони горіння свіжі порції горючої суміші.

Розглянемо елемент фронту полум'я. Швидкість потоку W може бути розкладена на нормальну та тангенційну складові W n і W τ, які прагнуть знести фронт горіння. У напрямку нормалі n - n швидкість врівноважується нормальною швидкістю розповсюдження полум'я + U n .

Очевидно, якщо швидкість W зміниться, то фронт полум'я займе нове положення і встановиться під таким кутом, при якому проекція швидкості на нормаль n - n стане рівною нормальній швидкості горіння U n . При цьому сама швидкість U n для цієї суміші, звичайно, є постійною величиною (Рис.3.5). Таким чином, отримаємо першу умову існування стаціонарного фронту полум'я

│ U n │=│W│cos α (3.2)

Цей вираз встановлено 1890 р. російським фізиком В.А. Міхельсоном і зветься "закону Міхельсона", або "закону косинуса". Відповідно до цього закону проекція швидкості потоку, що набігає, на нормаль до поверхні стаціонарного фронту полум'я завжди дорівнює нормальній швидкості горіння.

W">W W">W α">α

Рис.3.5. Положення стаціонарного фронту полум'я в потоках із різною швидкістю

Розглядаючи ділянку фронту, що примикає до джерела підпалювання, стає ясно, що на місце частин, що зносяться, не приходитимуть нові, якщо джерело перестане працювати. Компенсація винесення полум'я у тангенціальному напрямі здійснюється постійно діючим джерелом запалювання стаціонарного фронту полум'я.

Таким чином, існують дві необхідні і достатні умови існування стаціонарного фронту полум'я в потоці горючої суміші:

1. Рівність проекції швидкості поширення полум'я на нормаль та нормальної складової до фронту полум'я від швидкості
потоку.

2. Наявність постійно діючого джерела запалювання
із достатньою інтенсивністю.

Очевидно, якщо W τ = 0, то фронт полум'я перпендикулярний до потоку і друга умова відпадає.

Гарною ілюстрацією розташування ламінарного фронту полум'я в потоці є полум'я пальника Бунзена. Пристрій пальника забезпечує попереднє змішування пального та окислювача, тобто палива з повітрям. При підпалюванні суміші полум'я, поширюючись по ній, прагне увійти всередину пальника, проте перешкоджає зустрічному потоку. В результаті встановлюється стійка динамічна рівновага, а стаціонарний фронт полум'я приймає форму, при якій у кожній його точці нормальна до фронту складова швидкості дорівнює швидкості поширення полум'я в суміші даного складу за даних умов.

Одні з перших дослідників цього питання Малляр та Ле-Шатальє назвали зону горіння "блакитним конусом", на поверхні якого в кожній точці виконується закон Міхельсона.

Механізм стабілізації полум'я у пальнику Бунзена ілюструється рис.3.6.

Рис.3.6. Схема утворення фронту полум'я у пальнику Бунзена

Геометричне місце точок стабілізації С утворює кільце, що знаходиться на деякій відстані від зрізу сопла пальника. У нерухомій суміші після підпалювання полум'я від точок С почне сферично поширюватися і фронти полум'я зімкнуться в точці на осі потоку.

При русі суміші кожна точка фронту полум'я зноситься потоком одночасно з розширенням сфер і в результаті утворюється конічний фронт полум'я з вершиною в точці торкання сфер.

При постійних значеннях швидкості у вихідному перерізі пальника та U n фронт полум'я повинен мати правильну конічну форму. Однак внаслідок зростання U n у вершини полум'я через нагрівання суміші та зниження її біля холодних стінок у підстави конуса полум'я має закруглення. Якщо горюча суміш має ? Дифузійний фронт полум'я має характерний жовтий колір.

Метод пальника Бунзена є одним із найпоширеніших для визначення нормальної швидкості горіння.

Зміна форми полум'я істотно впливає характер горіння, оскільки пов'язані з зміною поверхні фронту. Величина поверхні полум'я є основним фактором, що визначає швидкість горіння системи заданого складу. Це з того, що це ділянки полум'я, незалежно від своїх форми, еквівалентні за умови, що радіус кривизни полум'я набагато більше ширини його фронту, тобто. у всіх важливих випадках. Зі збільшенням поверхні полум'я процес горіння інтенсифікується, збільшується сумарна кількість речовини, що згоряє в одиницю часу. Зміна форми полум'я зазвичай пов'язані з рухом газу поблизу зони горіння, його турбулізацією; при цьому фронт полум'я розбивається на ряд дрібних вогнищ та його загальна поверхня зростає. Цю особливість використовують, наприклад, для інтенсифікації процесу топки штучною турбулізацією спалюваного газу.

Розглянемо, яку форму набуває полум'я мимовільно при поширенні по нерухомому пальному середовищі без впливу на нього зовнішніх сил – обурень. Оскільки середовище однорідне, всі напрямки рівноцінні і швидкість руху полум'я з них однакова. При цьому фронт полум'я, що поширюється від точкового джерела, матиме форму сферичної поверхні радіусу, що безперервно збільшується. При поширенні сферичного полум'я розширення газу призводить до того, що вихідне середовище, що не згоріла, буде відтіснятися на периферію. Однак газ при цьому не турбулізується, швидкості руху як газу, так і полум'я однакові в усіх напрямках, форма полум'я, а при постійному тиску - і його швидкість залишаються незмінними.

Інший характерний режим поширення полум'я, що не обурюється, виникає при підпалюванні пального середовища аналогічним точковим імпульсом у відкритого кінця довгої труби. Поверхня, що виникає, спочатку буде сферичним, поки не торкнеться стінок труби (рис. 1.1).

Оскільки поширення полум'я припиняється біля стінок, полум'я набуває форми зовнішньої поверхні кульового сегмента, обмеженої перерізом труби. У міру віддалення полум'я від точки запалення та збільшення радіуса його кривизни воно стає все більш плоским, збігаючись у межі з поперечним перерізом труби.

Рис. 1.1.

Наведені міркування дозволили встановити, що при поширенні полум'я без зовнішніх обурень дві форми полум'я є стійкими: сферична для необмеженого простору (тривимірна задача) і плоска для нескінченної труби (одномірна задача). До цих двох типів буде наближатися в межі форма будь-якого полум'я, хоч би якою вона була спочатку.

Нормальне горіння

У відсутність обурень процесу горіння форма, яку набуває фронт полум'я у його поширення, може бути визначена виходячи з наступних міркувань. Кожну точку поверхні полум'я можна розглядати як незалежний запалюючий імпульс, навколо якого створюється новий елементарний фронт полум'я. Через певний малий проміжок часу в результаті накладення таких елементарних фронтів утворюється новий сумарний фронт полум'я, що збігається з обігає всіх елементарних сферичних фронтів, зароджених вздовж вихідного фронту.

Будемо вважати плоскою розглянуту ділянку полум'я АВ(Рис. 1.2); при довільній формі полум'я будь-яка досить мала його ділянка також можна вважати плоскою. Застосування описаного принципу побудови призводить до висновку, що нове положення полум'я А "В"буде паралельно вихідному. Поширюючи той самий принцип на переміщення фронту полум'я довільної форми, приходимо до висновку, що переміщення полум'я, що не обурюється, відбувається в кожній точці фронту по нормалі до його поверхні. Тому таке горіння називається нормальним (чи дефлаграційним). Швидкість переміщення полум'я по нерухомому паливному середовищі вздовж нормалі до його поверхні називається нормальною швидкістю полум'я U n.

Рис. 1.2.

Величина U n є основною характеристикою пального середовища. Це мінімальна швидкість, з якою може поширюватися полум'я за цим середовищем; вона відповідає плоскій формі полум'я. Величина U n, характеризує як лінійну, а й об'ємну швидкість горіння, визначаючи обсяг горючого середовища, що перетворюється на продукти реакції в одиницю часу на одиниці поверхні полум'я. Відповідно до цього розмірність U n, можна як см/с або як см3/(см2-с).

Величина U n сильно залежить від складу горючого середовища. Крім хімічної специфіки реагуючих компонентів на швидкість полум'я суттєво впливають співвідношення вмісту пального та окислювача та концентрації інертних компонентів. Більш слабке впливають зміна початкової температури пального середовища та загальний тиск. Нижче наведено максимальні значення U n деяких горючих сумішей за нормальних умов (в м/с):

• С2Н2 + O2 - 15,4;
• Н2 + О2; - 13;
• Н2 + С12 - 2,2;
• СО + O2 + 3,3% Н2O-1,1;
• Н2 + повітря – 2,7;
• СО + повітря + 2,5% Н2О - 0,45;
• граничні вуглеводні + повітря - 0,32-0,40.

Розширення газу при нагріванні в процесі згоряння призводить до того, що поблизу фронту полум'я завжди виникає рух газу, якщо спочатку він був нерухомий. Наступні міркування пояснюють, як впливає тепло

ве розширення газу та його турбулізація зовнішніми обуреннями на хід адіабатичного горіння. При згорянні газу всередині довгої відкритої труби плоске полум'я, що збігається з поперечним перерізом труби, буде нерухоме в тому випадку, якщо пальне вдується в трубу з постійною по перерізу швидкістю, що дорівнює U n. Продукти згоряння витікають з іншого кінця труби.

Позначимо через р щільність газу, індексом 0 – величини, що характеризують вихідне пальне середовище, та індексом b– продукти згоряння. Оскільки газ при згорянні розширюється, швидкість продуктів реакції, що йдуть з полум'я U b , > U n. На кожен 1 см2 поверхні полум'я потік приносить щомиті U n см3 пального середовища, маса якого дорівнює U n r o. Обсяг віддалених від тієї ж ділянки полум'я продуктів реакції дорівнює Ub, а маса - Ubrb. Маси вихідного газу та продуктів реакції рівні, звідки випливає, що

Unro = Ubrb. (1*1)

Рівняння (1.1) виражає закон збереження речовини процесу горіння.

Ми встановили, що при плоскій формі фронту полум'я може мати різні швидкості: Un або U b залежно від того, яке середовище нерухоме. Співвідношення швидкостей у газі, що горить, ілюструє схема, показана на рис. 1.3.

Рис. 13.

U n – нормальна швидкість полум'я; U b – швидкість продуктів, що йдуть з полум'я реакції; T 0 – початкова температура вихідного середовища; Т b – температура продуктів реакції; r0, rb – густини вихідного газу та продуктів реакції

При ситуації 1 полум'я нерухоме; пальне середовище, що втікає в трубу, рухається праворуч зі швидкістю U n ; в тому ж напрямку, але зі швидкістю U b рухаються продукти згоряння. Якщо нерухоме пальне середовище (ситуація 2), що має місце при згорянні в трубі, закритій з одного кінця, то полум'я переміщається по ній зі швидкістю U n, а продукти реакції закінчуються у протилежному напрямку зі швидкістю U b – U n. У ситуації 3 при запаленні біля закритого кінця труби продукти згоряння нерухомі. При цьому полум'я рухається зі швидкістю U b по відношенню до стінок труби (і згорілого газу); в той же бік зі швидкістю U b – U n рухається згоряючий газ, що витісняється з труби продуктами реакції, що розширюються. Швидкість полум'я по відношенню до продуктів згоряння набагато більша, ніж по відношенню до вихідного газу, - в r0/rb разів.

Величина G = U r, що називається масовою швидкістю горіння, визначає масу речовини, що згоряє в одиницю часу на одиниці поверхні полум'я. Звичайно, вона однакова і для вихідного, і для кінцевого середовища, а також у всіх проміжних зонах.

Розглянемо умови згоряння у фронті полум'я довільної форми, розташованому нерухомо в потоці згоряючого газу (у трубі).

Полум'я нерухоме в тому випадку, коли кількість згоряючого газу точно компенсується кількістю вступника. Якщо поверхня полум'я дорівнює F,то повний обсяг газу, що згорає в одиницю часу, дорівнює Uт F.Ту ж об'ємну швидкість можна визначити і по-іншому: як твір WS,де W –середня (за перерізом потоку) лінійна швидкістьгазу; S- Поперечний переріз потоку. З рівності обох величі випливає:

Цей результат справедливий і для нерухомого палива, тоді w- Швидкість переміщення по ній викривленого полум'я. Ця швидкість у стільки разів перевищує нормальну швидкість полум'я, у скільки разів поверхня полум'я більша поперечного перерізупотоку. При викривленні плоского полум'я та збільшення його поверхні швидкість полум'я відповідно зростає. Рівняння (1.2), зазвичай зване законом площ, Виражає фундаментальну особливість процесу горіння: зі збільшенням поверхні полум'я горіння інтенсифікується, причому межа такої інтенсифікації викликають тільки описані нижче газодинамічні особливості.

Викривлення поверхні полум'я є наслідком турбулізації згоряючого газу, мимовільної чи вимушеної.

Якщо згоряючий газ сильно турбулізований і малі елементарні ділянки холодного пального середовища значною мірою перемішані з гарячими продуктами згоряння, то полум'я вже не можна розглядати як поверхню, що розділяє два середовища. Виникає розмита турбулентна зона, у якій висока та сумарна швидкість хімічного перетворення, що зумовлено надзвичайно розвиненою поверхнею полум'я.

Режими флаграційного горіння для середовища заданого складу розрізняються лише швидкістю поширення полум'я за різного ступеня розвитку його поверхні. Ця обставина є суттєвою для роз'яснення умовності часто використовуваної термінології. Поняття "вибух" щодо поширення полум'я не можна характеризувати інакше, як досить швидке горіння у сильно турбулізованому середовищі зі швидкістю полум'я близько десятка – ста метрів на секунду. "Повільне" горіння відрізняється про "вибух" лише ступенем розвитку поверхні полум'я. Принципово не відрізняються від описаних та інші типи поширення полум'я, наприклад, що характеризуються термінами "спалах" і "бавовна". Лише в тому випадку, коли швидкість полум'я стає близькою до швидкості звуку в пальному середовищі, процес горіння набуває нового, якісно особливого характеру.

Обурення, що викривляють плоске або сферичне полум'я, виникають завжди, навіть за відсутності вимушеного руху газу; їх викликають сили тяжкості та тертя. Перша призводить до появи конвективних потоків, обумовлених відмінністю щільностей пального середовища та продуктів згоряння, друга проявляється при русі газу, що горить у трубі, та його гальмуванні стінками. Дія збурень зручно простежити на закономірностях горіння в довгій трубі, що розміщена вертикально, відкрита з одного кінця. Якщо підпалювати пальне серед нижнього, відкритого кінця труби (рис. 1.4, а), то створюються умови, сприятливі у розвиток конвективних потоків, оскільки незгорілий вихідний газ, має велику щільність, розташований вище легких продуктів згоряння. Полум'я має тенденцію витягуватися вздовж осі труби. При підпалюванні у верхнього закритого кінця труби (рис. 1.4 б) не виникають конвективні потоки, проте зона горіння інтенсивно турбулізується силами тертя. Газ, що згоряє і розширюється, спливає з труби. Швидкість потоку пального середовища під впливом в'язкості змінюється за перерізом труби, вона максимальна па осі і дорівнює нулю біля стінок (рис. 1.5).

Рис. 1.4.

Відповідно викривляється фронт полум'я. При підпалюванні у верхнього відкритого кінця грубі (рис. 1.4, в) можливість турбулізації зони горіння мінімальна: продукти згоряння знаходяться вище за згоряючий газ, і холодний газ нерухомий. Однак у міру видалення полум'я від краю труби зростає сила тертя, і турбулізація поширюється на газ, що згоряє.

Якщо згоряння супроводжується тепловими втратами, тобто. протікає адіабатично, то запас хімічної енергії паливної системи повністю перетворюється на теплову енергію продуктів реакції. Оскільки температура полум'я висока, швидкості реакцій, що протікають в ньому, великі і може швидко встановлюватися стан термодинамічної рівноваги. Температура продуктів адіабатичного згоряння залежить від швидкостей реакцій у полум'ї, а залежить лише від сумарного теплового ефекту і теплоємностей кінцевих продуктів. Ця температура називається термодинамічною температурою горіння. T b. Величина T b – найважливіша характеристика пального середовища; для поширених горючих середовищ вона має значення 1500-3000 К. Надалі докладно розглядається, якою мірою зроблені припущення відповідають реальності та яке значення для завдань техніки вибухобезпеки має тепловий режим горіння. При адіабатичному процесі та рівноважному стані продуктів згоряння T b – максимальна температура, що досягається в полум'ї. Фактична температура рівноважних продуктів реакції менша при виникненні теплових втрат від палаючого газу. Питання теплових втрат, як видно з подальшого, має визначальне значення для вирішення завдань забезпечення вибухобезпеки. При стаціонарному поширенні полум'я відбувається інтенсивне перенесення тепла кондукцією в холодне вихідне пальне. Однак цей процес не пов'язаний із тепловими втратами із зони горіння. Відведення тепла з кожного згоряючого шару газу до сусіднього, який ще не реагував, точно скомпенсовано еквівалентним підведенням тепла в той же шар на попередньому етапі, коли він сам був холодним. Нестаціонарне, некомпенсоване нагрівання відбувається в початковий момент при підпалюванні пального середовища вихідним імпульсом. Однак у міру віддалення полум'я від точки підпалювання ця додаткова кількість тепла розподіляється між дедалі більшою кількістю продуктів згоряння, і його роль додаткового нагрівання безперервно знижується.

Рис. 1.5.

Зі сказаного випливає, що при горінні можливі втрати тепла в результаті випромінювання нагрітого газу і при його зіткненні з твердою поверхнею. Роль тепловідведення випромінюванням розглядається в подальшому викладі, а поки приймемо, що такі втрати зневажливо малі для зони, тепловий режим якої визначає швидкість полум'я. Охолодження кондукцією продуктів згоряння за її зіткненні зі стінками судин і апаратів відбувається дуже інтенсивно, що з великою різницею температур стінок і газу. Тому після завершення горіння в судинах поширених розмірів значне охолодження в них продуктів згоряння завершується протягом менше 1 с.

Охолодження палаючого газу стінами також суттєво для наших завдань. Оскільки тепловідведення у стінки починається тільки після того, як їх торкнеться полум'я, такі втрати сильно залежать від форми та розмірів судини, в якій відбувається реакція, та положення точки запалення. При згорянні у сферичній посудині та центральному запалюванні теплові втрати кондукцією виникають лише після завершення горіння.

Температура горіння визначається законом збереження енергії при адіабатичному переході хімічної енергії горючого середовища теплову енергію продуктів згоряння. Очевидно, що компоненти горючої суміші не еквівалентні. Запас хімічної енергії визначається вмістом компонента, що витрачається при реакції повністю. Частина іншого компонента, надлишкового, залишається при взаємодії непрореагував. Вона дорівнює різниці між початковим вмістом надлишкового компонента і кількістю, необхідним для повного зв'язування компонента, що бракує. Якщо збільшити вміст компонента, що бракує, за рахунок вмісту інертного, що не бере участі в реакції, то молитовний запас хімічної енергії паливної суміші зросте. Подібна заміна надлишкового компонента залишає хімічну енергію незмінною.

Пояснимо приблизно, як реалізується закон збереження енергії при згорянні. Запас хімічної енергії паливної системи вважатимемо рівним π1Q), де π1 – концентрація недостатнього компонента; Q- Тепловий ефект його згоряння. Тепло реакції витрачається на нагрівання всіх компонентів суміші: продуктів взаємодії, що утворилися, надлишкового та інертних компонентів. Якщо З- середня теплоємність тієї кількості продуктів згоряння, що утворилося з 1 моля вихідної суміші, то збільшення запасу фізичного тепла дорівнює З(Т b – T 0), де Т 0 – вихідна температура горючого середовища. За умовою адіабатичності

Точне обчислення стану продуктів адіабатичного згоряння набагато складніше.

При адіабатичному згорянні величина температури горіння визначає щільність кінцевих продуктів, а отже, і зв'язок між швидкостями полум'я U n та U b. При цьому необхідно враховувати, що в результаті реакції число молекул в одиниці маси змінилося празів. Відповідно до законів ідеальних газів

Значення пу процесах горіння переважно близько до одиниці. Так, при перетворенні стехіометричної суміші 2СО + O2 (згоряння до 2СO2) п= 2/3, для аналогічної суміші СН4 + 2O2 (згоряння до СO2 + 2Н2O) п = 1 і т.д. При згорянні сумішей нестехіометричного складу та сумішей, що містять інертні компоненти, загальна кількість молекул (з урахуванням вмісту компонентів, що не беруть участі в реакції) змінюється ще менше.

При адіабатичному згорянні температура газу зростає у 5–10 разів. Якщо при згорянні тиск залишається постійним і газ вільно розширюється, а п= 1, то в стільки ж разів змінюється і його щільність і таке саме ставлення U b до нормальної швидкості полум'я. Якщо адіабатичне згоряння відбувається без розширення газу, в замкнутій посудині, то тиск зростає приблизно такою ж мірою. Це й обумовлює руйнівну дію швидкого згоряння у закритій посудині.

Поняття "горіння" не можна однозначно сформулювати. Ми називатимемо горінням швидке хімічне перетворення, що самоприскорюється, що супроводжується інтенсивним тепловиділенням і випромінюванням світла. Відповідно полум'ям (гарячим) будемо називати газоподібне середовище, в якому інтенсивна хімічна реакція призводить до свічення, тепловиділення та значного саморозігріву.

Такі визначення зручні, але не цілком чіткі та універсальні. Важко вказати точно, яка реакція досить швидкої, щоб її можна було вважати горінням. Ще менш чітке поняття вибуху. Надалі ми познайомимося із існуванням холодних полум'я, у яких хімічна реакція супроводжується світінням, але протікає з помірною швидкістю і помітного розігріву.

Згідно з Д. Л. Франк-Каменецьким, "горінням називається перебіг хімічної реакції в умовах прогресивного самоприскорення, пов'язаного з накопиченням в системі тепла або продуктів реакції, що каталізують". Тут очевидним є прагнення охопити явища і теплового, і автокаталітичного розвитку реакції. Проте таке узагальнення призводить до того, що це визначення підпадають явища, які неможливо зарахувати до процесів горіння. До них доведеться віднести безполум'яні реакції в газовій та рідкій фазах, що супроводжуються обмеженим самоприскоренням, але не переходять у тепловий або цінний вибух, коли швидкість реакції досягає помірного максимуму або відбувається розбризкування компонентів неоднорідного горючого середовища.

Обмежити процеси горіння умовою повноти реакції було б неприпустимо, оскільки у багатьох вибухових процесах реакція залишається незавершеною.

Проблеми у визначенні горіння визнають Б. Льюїс і Р. Ельбе: " Поняття горіння, полум'я і вибуху, досить гнучкі, як і вживаються дещо довільно " .

Ускладнення у визначенні горіння відбивають відсутність різких кордонів у комплексу фізико-хімічних явищ, специфічних для горіння. Самоприскорення реакції, саморозігрів, накопичення активних продуктів, випромінювання різної інтенсивності та довжини хвилі існують у процесах і відносяться, що не належать до категорії горіння; відмінність виявляється лише кількісним. Тому будь-яке визначення горіння буде неточним або неповним.

Розвинені уявлення дозволяють припустити, що з протікання процесу на кшталт горіння потрібно виконання лише двох умов: дана реакція має бути екзотермічної і має прискорюватися з підвищенням температури. Останнє характерне для більшості хімічних процесівТому, здавалося б, будь-яка екзотермічна реакція може розвиватися в режимі горіння. З подальшого слідує, що для існування стійкого горіння потрібно виконання ще одного важливого додаткової умови, Пов'язаного з поширенням фронту полум'я в горизонтальній трубі.

Деякі особливості перебігу екзотермічної реакції відрізняються при її перебігу у трубі. При підпалюванні пального середовища з боку відкритого кінця полум'я набуває специфічної, витягнутої з нахилом уперед форми (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

1 – межа зіткнення полум'я; 2 – передня межа зображення полум'я (перетин фронту та площини симетрії); М– точка максимальної швидкості газу

На певній частині шляху після ініціювання горіння протікає стаціонарно, постійною швидкістю. У міру зростання відношення h/d,де h- Висота стовпа продуктів згоряння, в межі - довжина труби; d– діаметр труби, сили тертя газу об стінки настільки зростають, що викликають прогресуючу турбулізацію газу в зоні горіння та нестаціонарне прискорення полум'я відповідно до закону площ.

Похила форма полум'я в горизонтальній трубі обумовлена ​​великою відмінністю густин вихідного середовища та продуктів згоряння. Фронт полум'я є межею поділу цих двох середовищ. Щоб пояснити наслідки відмінності їх густин, скористаємося наступною аналогією. У горизонтальній трубі (рис. 1.7, а) знаходяться дві рідини, що не змішуються, різної щільності, наприклад ртуть (праворуч) і вода (ліворуч), розділені вертикальною перегородкою. Якщо перегородку видалити, то відмінність щільностей викликає рух рідин: важка ртуть потече ліворуч і вниз, вода розташовуватиметься над ртуттю, рухаючись праворуч і вгору. Межа розділу виявиться нахиленою вперед, її поверхня безперервно зростає (рис. 1.7, б). Аналогічні потоки виникають при горінні газу, однак перетворення важкого горючого середовища на легкі продукти реакції перешкоджає необмеженому збільшенню поверхні полум'я, розміри та форма якого стають стаціонарними. Відхилення верхньої ділянки фронту полум'я у бік продуктів згоряння обумовлено гальмуванням газу біля стіни під впливом тертя.

Рис. 1.7.

а- До видалення перегородки; б– після видалення перегородки

Форма стаціонарного полум'я (на ділянці рівномірного поширення) визначається співвідношеннями між нормальною швидкістю полум'я та швидкістю руху газу на відповідних ділянках фронту. Розглянемо ці співвідношення для найбільш висунутої точки фронту М(Див. рис. 1.6), де полум'я нормально осі труби, а значить, і напрямку переміщення всього фронту. Сумарна швидкість полум'я вздовж осі труби U f у точці Мтакож складається зі швидкості полум'я по відношенню до газу U n та складової швидкості руху самого газу в тому ж напрямку W M :

Для будь-якої малої похилої ділянки полум'я АВ(рис. 1.8), що утворює кут з віссю труби, переміщення полум'я по газу вздовж нормалі до AВзі швидкістю U n (до положення А "В") пов'язано, очевидно, з рухом полум'яного елемента вздовж осі труби зі швидкістю U n / sinβ. Загальна швидкість переміщення елемента полум'я вздовж осі труби так само, як і для точки М, складається з самої швидкості горіння в цьому напрямку та складової швидкості газового потоку W.Оскільки форма полум'я стаціонарна, то й швидкості всіх його елементів рівні:

(1.6)

У кожній точці полум'я його нахил визначається локальним значенням складової швидкості газового потоку вздовж осі. Так як U n/sinβ > U n , W M > W,швидкість газу максимальна у точці М.Величина Wзменшується поблизу стінок і навіть стає негативною (там, де пальне середовище "підтікає" під шар продуктів згоряння). Ділянка полум'яної поверхні АВ,що переміщається в нижню частину труби, замінюється новим, що генерується в точці, що підпалює М.

Рис. 1.8.

Ззбільшенням діаметра труби посилюється конвекція палаючого газу, при цьому сумарна швидкість полум'я зростає приблизно пропорційно квадратному кореню. d.Зі збільшенням нормальної швидкості полум'я зростає і U f (при d= const), повільніше, ніж U n. За певного значення U n спостерігається різкий перехід форми полум'я від похилої до напівсферичної.

Зі стаціонарним режимом горіння в потоці часто доводиться стикатися при користуванні бунзенівським пальником. Це найпростіше, здавалося б, пристосування є трубкою, через яку безперервно подасться пальне середовище. При її підпалюванні на виході з пальника утворюється стаціонарне полум'я – бунзенівське, форма якого близька до конічної. Закономірності, що характеризують бунзенівське полум'я, були встановлені роботами одного із засновників теорії горіння В. А. Міхельсона.

Стаціонарне горіння в бунзенівському полум'ї можливе за різних швидкостей потоку. При зміні цієї швидкості відповідно змінюється форма бунзенівського конуса, і з нею та її поверхню – за законом площ. При цьому основа конуса залишається незмінною, приблизно збігаючись з вихідним перетином пальника, а висота зростає у швидкому потоці та зменшується у повільному. Стійке горіння, при якому відбувається таке саморегулювання форми полум'я, можливе у широкому діапазоні швидкостей газового потоку. Лише за дуже великої швидкості газу відбувається зрив полум'я, його згасання. Якщо ж швидкість газу стає досить малою, в середньому близька до U n, полум'я поширюється назустріч потоку, входячи всередину пальника, - відбувається "проскок" полум'я.

Рис. 1.9.

Горіння в бунзенівському полум'ї ускладнюється вторинною взаємодією продуктів неповного згоряння з атмосферним повітрям, якщо суміш, що спалюється, містить надлишок пального. При цьому утворюється вторинний, так званий зовнішній бунзенівський конус полум'я на додаток до основного внутрішнього. Щоб запобігти виникненню зовнішнього конуса, полум'я пальника іноді оточують середовищем інертного газу.

Закономірності, що визначають форму бунзенівського полум'я, можна встановити, розглядаючи поведінку плоскої (малої) ділянки стаціонарного полум'я Л Вв потоці газу, що спалюється (рис. 1.9).

Якби газ був нерухомий, то полум'я переміщалося б уздовж нормалі до AВзі швидкістю U n, а вздовж потоку – зі швидкістю U n/sin β, де β – кут між AВта віссю труби. Ця складова швидкості горіння дорівнює локальній швидкості потоку W,оскільки полум'я нерухоме:

Рівняння (1.7), отримане В. А. Міхельсоном, є окремим випадком рівняння (1.6) – для нерухомого полум'я ( U f = 0); від'ємне значенняшвидкості газу показує, що напрями швидкості газу та полум'я протилежні. Рівняння (1.7) визначає кожної точки поверхні полум'я величину кута β, отже, і стаціонарну форму всього полум'я загалом. Якщо в будь-якій точці бунзенівського конуса нормальна до полум'я складова швидкості газового потоку виявиться більшою за нормальну швидкість полум'я, то газовий потік буде відносити даний елемент полум'я від гирла пальника. При цьому зростає нахил полум'яного елемента до осі потоку (оскільки основа конуса фіксована), і кут β буде зменшуватися, поки складова швидкості потоку не зрівняється з U n. Зворотні зміни відбудуться у випадку, коли Wsin β< U n.

Якби швидкість газу була постійною по всьому перерізу потоку, то полум'я не мало б викривлень і бунзенівський конус був прямим. При ламінарному перебігу газу в трубі розподіл швидкостей перетину є параболічним, воно визначається законом Пуазейля

(1.8)

де W(r) – швидкість потоку на відстані rвід осі труби; R 0 – радіус труби; W 0 = W(r= 0) – максимальна швидкість течії.

Середню швидкість потоку W,рівну витраті газу на одиницю перерізу труби, обчислюємо усередненням:

(1.9)

тобто. Wвдвічі менше W 0. При цьому слід мати на увазі, що після виходу газу з пальника розподіл швидкостей у потоці дещо зміниться. У разі розподілу швидкостей газу за законом Пуазейля за рівних Wконуси полум'я для всіх пальників геометрично подібні.

Ми вже бачили, що існування бунзенівського полум'я в широкому діапазоні швидкостей потоку газу, що спалюється, обумовлено стабільністю підстави конуса, фіксацією полум'я біля кільця зрізу пальника. Така стабілізація обумовлена ​​особливостями горіння у цій зоні. Досвід показує, що між основою полум'я та зрізом пальника є невеликий просвіт, горіння починається на певній відстані від краю труби. Це пов'язано з тим, що з поверхні горіння неможливо, оскільки стаціонарна температура газу у цій зоні дуже низька. З цієї причини неможливий проскок полум'я в трубу вздовж стінок, де швидкість газового потоку менше U n.

У зоні стабілізуючого кільця на певній відстані від краю пальника горіння стає можливим, проте швидкість полум'я в цій зоні менша U n внаслідок теплових втрат. У міру віддалення від краю пальника та припинення гальмування потоку стінкою зростає і швидкість газу вздовж кільця r = R 0. На певній висоті вона порівнюється зі швидкістю полум'я.

У цих точках стійко фіксується полум'я: ближче до краю пальника неможливо горіння, на більшому видаленні швидкість полум'я більша за швидкість газу і полум'я буде наближатися до пальника, поки обидві швидкості не зрівняються. За таким же механізмом полум'я може стабілізуватися в потоці пального середовища поблизу різних нерухомих перешкод, наприклад, біля дротяного кільця, що міститься вище пальника, або у кінця стрижня, що знаходиться всередині пальника. В останньому випадку утворюється так званий звернений бунзенівський конус, перевернутий основою вгору і стабілізований в одній нерухомій точці - біля його вершини.

Як показує аналіз теплового режимугоріння, при знаходженні стаціонарного полум'я всередині труби тепло відводиться від газу до стінки, і полум'я спрямоване опуклістю у бік незгорілого газу, тобто. має форму меніска. За великої інтенсивності тепловідведення, тобто. біля самої стінки, воно взагалі не може існувати і обривається на деякій відстані від неї, так само як і при його знаходженні поза трубою вище гирла пальника. Ми бачимо, що горіння в бунзенівському полум'ї, незважаючи на простоту цього пристосування, є дуже складним процесом, що відрізняється багатьма специфічними особливостями.

Горіння газової суміші в закритих трубахпороджує відлуння, що призводить до повної розбудови фронту полум'я. Деталі цього явища вперше відтворювалися при чисельному моделюванні.

Полум'я, що взаємодіє з потужною звуковою хвилею, здатне породжувати цікаві просторові структури (див., наприклад, вражаючий відеоролик з «вогненною візуалізацією» звукових хвиль). Звукова хвиля при цьому не обов'язково має бути зовнішньою: інтенсивне горіння газової суміші пального та окислювача в замкнутому обсязі, наприклад у трубах, породжує луну, яка може спотворити фронт полум'я та змінити режим перебігу реакції горіння.

Спотворення форми полум'я при горінні в трубах відоме вже понад сто років, проте лише в класичних експериментах Джеффрі Сірбі (G. Searby) 1992 було проведено систематичне вивчення цього процесу. Зокрема, Сірбі спостерігав турбулізацію полум'я під впливом власної луни. Саме собою це явище не видається дивним, проте теоретичного опису цього процесу досі запропоновано не було. Вимагали відповіді питання "Як саме відбувається перехід до турбулентності?", "Які саме коливання полум'я розгойдуються першими?" і т. п. Все це, у свою чергу, сковувало руки дослідникам, які шукають можливості практичного застосуванняцього ефекту у технології (взагалі кажучи, турбулентність полум'я має велике значеннядля ракетної промисловості).

У нещодавній статті російсько-шведської групи дослідників A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 October 2006) було зроблено перший крок на шляху до побудови такої теорії. Автори цієї роботи провели докладне чисельне моделювання процесу горіння газової суміші в довгій і дуже вузькій трубі, закритій з одного кінця (суміш підпалювалася з відкритого кінця, і полум'я поширювалося вглиб труби). Для простоти обчислень вирішувалося двовимірне, а не тривимірне завдання, газова суміш вважалася ідеальним газом, а процес горіння моделювався гіпотетичною одноетапною та незворотною хімічною реакцією із заданими тепловиділенням та енергією активації. Натомість вся газо- і термодинаміка - стиск та розширення, течії газу, теплопередача, структура фронту полум'я - враховувалися повною мірою.

Результати моделювання однозначно довели, що при наближенні до закритого кінця фронт полум'я починав «тремтіти». Це тремтіння породжувало звукове відлуння тієї ж частоти, яке ще сильніше «розгойдувало» полум'я. У безпосередній близькості до кінця труби осциляції полум'я ставали настільки сильними, що фронт полум'я буквально складався в гармошку. Протягом кожного періоду цих коливань фронт полум'я різко дестабілізувався, випускав вузький і дуже довгий струмінь холодного газу всередину області, зайнятий гарячими продуктами горіння. Струменя потім швидко згоряла, фронт полум'я загортався вихором і потім вирівнювався знову. Швидкість течій, породжених цими осциляціями, у десятки разівперевищувала «нормальну» швидкість поширення полум'я у відкритому просторі.

Сильні осциляції та породжені ними вихори зазвичай є першим етапом при переході до турбулентності. Автори статті, однак, не поспішають оголошувати про відкриття механізму турбулізації полум'я. Справа в тому, що наявні на сьогодні обчислювальні потужності дозволяють провести таке детальне моделювання лише в надзвичайно вузьких трубах, скоріше навіть у капілярах. Як зміниться цей процес у широких трубах, для яких і отримані експериментальні дані і в яких вплив стінок на течії суттєво слабший, належить ще вивчити. Цікаво також перевірити, чи виявлені в моделюванні спотворення полум'я тим самим «тюльпаноподібним полум'ям», яке спостерігалося давно, але досі залишається незрозумілим (див. C. Clanet and G. Searby. On the "Tulip Flame" Phenomenon (PDF, 1 ,3 Мб) // Combustion and Flame, 1996. V. 105. P. 225-238).