Большая техническая энциклопедия
1 2 3 4 6
C J W Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
ТА ТВ ТЕ ТИ ТО ТР ТУ ТЩ ТЯ

Турбулентное пламя

 
Турбулентное пламя получается при бурном перемешивании горючего газа и окислителя.
Схема строения ламинарного пламени сме си светильного газа с воздухом.| Горелка металлическая нераспыляющая с плоским съемным наконечником ( 1 в виде мелкой сетки ( 2 с круглыми отверстиями. Турбулентное пламя из-за бурного перемешивания на отдельные зоны не разделяется. Молекулы горючей смеси, продуктов их сгорания и взаимодействия с молекулами определяемого вещества равномерно распределены по всему объему пламени.
Схематическая иллюстрация ламинарного пламени с противотоком ( о и с параллельными потоками ( б предварительно не перемешанной. Турбулентные пламена предварительно перемешанной смеси. Как видно из табл. 1.2, другим примером пламен предварительно перемешанной смеси является широко известное пламя двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием ( двигателя Отто), в котором поток редко бывает ламинарным. В этом случае фронт пламени предварительно перемешанной смеси распространяется в турбулентный поток. Если интенсивность турбулентности не слишком большая, формируются искривленные фронты ламинарного пламени. При этом турбулентное пламя можно рассматривать как ансамбль микроламинарных пламен предварительно перемешанной смеси. Такой подход к представлению турбулентного пламени как ансамбля микроламинарных пламен подробно обсуждается в гл.
Турбулентные пламена с предварительно не перемешанной смесью. В этом случае пламена с предварительно не перемешанной смесью горят в турбулентном потоке, и для турбулентности слабой интенсивности можно использовать концепцию микроламинарных пламен ( см. гл. По соображениям безопасности в промышленных горелках и установках используются главным образом пламена предварительно не перемешанной смеси. Несмотря на использование очень сложных и совершенных систем перемешивания горючей смеси, пламена предварительно не перемешанной смеси обладают желтым свечением из-за излучения частиц сажи, образующихся в результате химических реакций в зонах с богатой смесью.
Турбулентное пламя предварительно перемешанной смеси. Турбулентное пламя предварительно перемешанной смеси является основным режимом горения в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием и в форсажных камерах реактивных двигателей. Эти пламена могут быть стабилизированы как внутри, так и на выходе предварительно перемешанного потока из трубопровода. При низких скоростях потока, как в случае пламени бунзеновской горелки, пламена ламинарны с четко различимым фронтом пламени, т.е. они стационарны во времени. При скорости потока выше определенной критической величины поток в трубопроводе становится турбулентным и горение сопровождается ревущим звуком. Пламя в этом случае имеет широкий размытый фронт.
Турбулентные пламена предварительно не перемешанной смеси интересны с точки зрения практических приложений. Они возникают в реактивных двигателях, в дизельных двигателях, паровых котлах, горелках и водородно-кислородных ракетных двигателях. За исключением турбулентного горения предварительно перемешанной смеси в различных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием ( двигатели с циклом Отто), в подавляющем большинстве случаев происходит турбулентное горение предварительно не перемешанной смеси.
Зависимость среднего значения величины ST / Sud 2a от числа Решюльдса, по Боллинджеру и Вильямсу. Турбулентные пламена, ограниченные стенками канала.
Устройство горелки, применявшейся при измерениях скорости распространения турбулентного пламени в Бюро шахт, Питтсбург, США.| Измеренные значения sin q и S T / 6 u. Re25 000. Пламя стехио-метрической смеси ацетилен-воздух. Радиус трубки горелки Л - 15 8 мм. Размытое турбулентное пламя не имеет определенных границ, которые могли бы характеризовать среднее положение фронта турбулентного пламени.
Турбулентное пламя бензина при горении в резервуаре диаметром 22 4 м. Турбулентное пламя горючих жидкостей в резервуарах значительно отличается от диффузионного турбулентного пламени, используемого в промышленных топочных устройствах. Турбулентность последних обусловлена большой скоростью истечения газа или жидкости. Поэтому пространственный масштаб турбулентных пульсации настолько мал, что фронт пламени при визуальном наблюдении кажется почти неизменным.

Представим турбулентное пламя состоящим из ядра продуктов сгорания, окруженного слоем свежего газа.
Бомба для исследования турбулентного сгорания.| Схема определения степени расширения в турбулентном пламени. Представим турбулентное пламя состоящим из ядра продуктов сгорания, окруженного слоем свежего газа.
Фронт турбулентного пламени пульсирует ( очерчен нерезко), сильно искривлен, имеет размытые контуры и значительную толщину, в результате чего его поверхность сильно развита.
Теорию турбулентного пламени разрабатывали многие ученые. Главной трудностью при использовании турбулентного пламени является его нестабильность ( шум), которая возникает из-за смешивания и сгорания газов в одном и том же ограниченном объеме. Кроме того, турбулентное пламя больше подвержено некоторым химическим помехам.
Расчетные профили температуры в пламени с противотоком ме-тановоздушной смеси для разных скоростей скалярной диссипации. 1 - 20 6 с 1. 2 - 9 4 с 1. 3 - 4 4 с 1. 4 - 2 0 с 1 [ Rogg et al., 1987 ]. погасание происходит при х 20 6 с 1. температура несгоревшего газа Т 298 К со стороны горючего и окислителя. р 1 бар. Отрыв турбулентного пламени, показанный на рис. 13.7, можно объяснить погасанием за счет скалярной диссипации.
Течение газа через турбулентный фронт пламени. Фронт турбулентного пламени представляется нам утолщенным вследствие того, что мгновенный тонкий фронт ламинарного пламени быстро передвигается в пространстве, занятом турбулентным пламенем. В связи с тем, что в непосредственной близости от фронта ламинарного пламени генерируется турбулентность, средняя интенсивность турбулентности поперек фронта турбулентного пламени постепенно увеличивается от значения интенсивности турбулентности набегающего потока до своего максимального-значения.
Влияние состава смеси в обратно. В турбулентном пламени, как уже указывалось выше, часто такое положение пламени вблизи горелки не наблюдается. Наоборот, здесь существуют лишь локальные области, в которых максимальная скорость распространения пламени может превышать скорость поступления смеси; поэтому точка, в которой находится пламя, также перемещается по мере перемещения этих локальных областей малой скорости в турбулентном потоке. Кроме того, во всех случаях фронты пламени должны перемещаться в турбулентной смеси с максимальной скоростью распространения пламени предварительно приготовленной смеси, что ведет к вытягиванию и растеканию пламени. Если пламя уже не находит достаточно больших областей, в которых оно может поглощать поступающий поток и не гаснуть, то произойдет его погасание, если только оно не будет поддерживаться при помощи пилотной горелки или других источников энергии.
В турбулентном пламени реакции развиваются в таких же условиях по температуре и составу реагирующего газа, как и в ламинарном пламени. Однако в турбулентном пламени химическая реакция ускоряется за счет турбулентной диффузии вещества и турбулентной теплопроводности. Кривые осредненных температур и концентраций имеют такой же характер, как и кривые температур и концентраций в ламинарном пламени. Соответственно она также увеличивается при искусственном повышении степени турбулентности.
В диффузионном турбулентном пламени углерод выделяется в области высоких температур у кислородной зоны.
Влияние давления на скорость сажеобразования в диффузном пламени.
В достаточно турбулентных пламенах сажа не образуется, даже если в качестве горючего служит ацетилен, поскольку в таком пламенп воздух попадает в зону основания пламенп ( см. [1], гл.
В микродиффузионном турбулентном пламени свойства сырья весьма значительно влияют на СВОЙСТЕЗ получаемой сажи. Как отмечено [79], в этом случае процесс может протекать в кинетической сблали и г. ары исходного сырья, по-видимому, не успевают сколько-нибудь существенно измениться до момента образования сажи. Опытами в цилиндрическом и циклонном реакторах при микродиффузионном турбулентном горении показано 181 ], что удельная геометрическая поверхность сажи повышается с увеличением коэффициента ароматизованности сырья. Однако эта закономерность неодинакова для различных условий процесса.
Если рассматривать турбулентное пламя в такой системе координат, в которой фронт турбулентного пламени неподвижен ( рис. 84), то оказывается, что составляющая скорости, перпендикулярная к фронту турбулентного пламени, возрастает в пламени от U1 - ( Sf и) до f / 2 - [ ( Qi / Qa T i ] гДе ui и uz - турбулентные пульсации скорости.
Скорость распространения турбулентного пламени в значительной мере зависит от состава топливно-воздушной смеси.
Скорость распространения турбулентного пламени возрастает прямо пропорционально увеличению скорости реакции окисления углеводородов, а следовательно, температуре горения. Предпринимаются многочисленные попытки повлиять на скорость горения подбором топлива определенного химического состава, а также введением инициирующих горение присадок.
Зависимость скорости деформации тушения а, от состава смеси в пропано-воздушных пламенах [ Stahl, Warnatz, 1991 ].| Концентрация радикалов ОН как функция скорости деформации для пламени с противотоком стехиометрической смеси СзНа-воздух навстречу горячим продуктам сгорания. 1 - а 6 104 с 1. 2 - 1 103 с 1. 3 - 500 с 1 ( а. максимальная температура пламени как функция скорости деформации а в пламени стехиометрической смеси СЩ-воздух для плоской ( а 0. треугольники и цилиндрической ( а 1. кружки конфигураций с противотоком ( б [ Stahl, Warnatz, 1991 ]. В случае турбулентного пламени предварительно перемешанной смеси турбулентность осуществляет конвективный перенос реагентов в сторону фронта пламени.
Другая теория турбулентных пламен, также основывающаяся на диффузионном механизме и использующая аналогичное формуле (4.12) выражение для коэффициента турбулентной диффузии, была предложена Яги и Саджи [ 2, стр.
Скорость распространения турбулентного пламени может превосходить и в десятки и сотни раз.
Структура турбулентного кинетическаго факела. Отличительной особенностью турбулентного пламени является наличие размытого утолщенного фронта пламени, тогда как в ламинарном пламени он имеет гладкую поверхность и очень малую толщину.
Скорость распространения турбулентного пламени зависит от скорости потока, а также от степени и масштаба турбулентности.
Скорости распространения турбулентного пламени зависят линейно от скорости потока и для чисел Re 100 103 практически не зависят от диаметра трубы ( камеры) при больших размерах последней.
Характеристики некоторых пламен с предварительным смешением газов. Из-за этих недостатков турбулентное пламя в настоящее время применяют очень редко.

Таким образом, турбулентное пламя предварительно перемешанной смеси не может быть представлено одной точкой на диаграмме Борги, а представляется в виде области, которая может пересекать границы.
Расположение границы начала и. чл учения и максимальной его. От гомогенного реактора турбулентное пламя отличается наличием определенного распределения ( градиента) средних температур и концентраций между границами свежего и сгоревшего газа, что я - л яется самим условием распространения зоны реакции.
По ряду причин турбулентные пламена очень редко применяются в атомпо-абсорбциошюй спектрометрии, поэтому подробно на них останавливаться не будем. Следует лишь отметить, что, несмотря на то что почти 100 % распыляемой пробы достигает пламени, в действительности многие относительно крупные капельки, получающиеся при распылении, покидают пламя, так как они не успевают полностью десольватироваться.
Распределение иптснсишгостей излучения полос А ( СИ и 2 505. ( Н2О в ламинарном пламени смеси бутана с воздухом. а - 1 16. 1 атм.| Расположение границы начала излучения и максимальной его. От гомогенного реактора турбулентное пламя отличается наличием определенного распределения ( градиента) средних температур и концентраций между границами свежего и сгоревшего газа, что является самим условием распространения зоны реакции.
Понятие скорости распространения турбулентного пламени относится к явлению горения в топливной смеси, имеющей турбулентные пульсации различного масштаба, которые существенно увеличивают действительную поверхность горения.
Определение; поверхности турбулентного пламени при горении в закрытых системах часто оказывается затруднительным, потому что при высоком уровне турбулентности видимое пламя почти целиком заполняет клинообразную область за пламедержателем. Вол [16] принял, что поверхностью пламени является передняя граница светящейся зоны, расположенная вверх по потоку, и при вычислении величины S. Скарлок [ 311 и другие [32-34] приближенно учли расходимость линий тока вверх по потоку от зоны пламени вследствие изменения плотности в зоне горения. Результаты всех этих исследований показывают, что скорости турбулентного горения в трубах значительно больше скоростей турбулентного горения в открытых системах, а также больше скоростей, предсказываемых любыми теориями турбулентного горения. Хотя предполагалось, что увеличение скорости турбулентного горения в закрытых системах может быть связано с турбулентностью, возникающей в областях с большими градиентами скорости [3334], прямые эксперименты [1041], которые будут рассмотрены позже ( в пункте е § 3), свидетельствуют о небольшом увеличении ( или вообще об отсутствии такового) интенсивности турбулентности вблизи пламени.
Экспериментальная зависимость. Отношение скорости распространения турбулентного пламени к нормальной скорости S ISU было сопоставлено с величиной v / Su, где и - поперечная составляющая скорости турбулентной пульсации, измеренная в центре выходного сечения горелки при отсутствии горения.
Во избежание образования быстрого турбулентного пламени энергия воспламенения должна быть низкой. Расчет температуры пламени был основан на учете потерь на излучение, причем пламя рассматривали как черное тело. Низкие значения яркостных температур, наблюдавшиеся при более высоких давленпях, могут быть обусловлены высокой концентрацией углерода в пламени. Поскольку непрореагировавший газ не поглощает свечения углерода, то измеренная яркостная температура может соответствовать не истинной реакционной зоне, а пристеночному холодному слою или зоне частичного протекания реакции, где имеется достаточная концентрация углерода и излучение которых близко к излучению черного тела. Критическое давление распространения-пламени определяется тепловыми потерями на излучение в пламени с большой светимостью. В пользу этого говорит факт, что сильнотурбулентное пламя и ударные волны, а также пламя в более широких трубах могут распространяться при более низких давлениях.
Теория скорости распространения закрытых турбулентных пламен предварительно перемешанных смесей.
Очень важные результаты относительно турбулентных пламен были получены недавно Дж. Лонгвеллом, показавшим, что при очень высокой интенсивности турбулентности турбулентное горение приближается к гомогенному объемному горению, при котором фронт пламени исчезает и скорость выделения тепла лимитируется только скоростью кинетической реакции [ 26, стр. Лонгвелл экспериментально показал, что скорость выделения тепла в стехиометрических топливо-воздушных сме-сях, ограниченная только скоростью реакции, составляет около 330 - 10е ккал / м3атм - час и пропорциональна приблизительно квадрату абсолютного давления. Полученная величина на порядок больше, чем скорости выделения тепла в используемых на практике горелочных устройствах; она возрастает с увеличением давления настолько быстро, что будет ограничивать скорость горения только лишь при давлениях, значительно ниже атмосферного.
Настоящая глава посвящена турбулентным пламенам предварительно перемешанной смеси. Принципиальная разница между пламенами предварительно перемешанной и предварительно не перемешанной смеси становится ясной из рассмотрения идеальных случаев для каждого из них. Идеальное пламя предварительно не перемешанной смеси обладает быстрой ( равновесной) химией, которая быстро приводит к установлению локального соотношения компонентов смеси ( переменной смешения); соотношение компонентов смеси постоянно изменяется. В идеальном пламени предварительно перемешанной смеси несгоревший газ полностью перемешан перед началом химических реакций.
Турбулентность, генерированная турбулентным пламенем, уносится потоком. Однако вследствие резкого возрастания интенсивности турбулентности некоторая доля турбулентности диффундирует обратно в набегающий ноток и в соседние трубки тока. Благодаря именно этой диффузии турбулентной энергии генерированная пламенем турбулентность может оказывать влияние на скорость распространения пламени, создающего турбулентность.

Обсуждение процессов в турбулентных пламенах предварительно перемешанной смеси будет проведено в гл.
Процессы смешения в диффузионном турбулентном пламени играют важную роль для определения характеристик камеры сгорания. Химическое реагирование происходит лишь при столкновении молекул топлива и окислителя, поэтому нужно разграничить механическое перемешивание объемов ( турбулентная диффузия), не играющее роли при химическом реагировании, и смешение до молекулярной однородности, определяющее это реагирование при диффузионном горении.
Второй тип пламени, турбулентное пламя, получается путем смешения горючего газа, окислителя и анализируемого раствора непосредственно в пламени в процессе их турбулентного движения. Таким образом, при использовании турбулентного пламени весь раствор поступает в пламя. Но, несмотря на это, чувствительность анализа по сравнению с анализом в ламинарном Пламени не повышается, как можно было бы ожидать. Это объясняется несовершенством процесса подготовки пробы к атомизации, вследствие чего большая ее часть проходит через пламя без диссоциации. Кроме того, при использовании турбулентного пламени наблюдаются значительные шумы, также снижающие чувствительность анализа.
На явлении пределов распространения турбулентных пламен особенно наглядно обнаруживается специфическое их отличие от ламинарных пламен.
Схема камеры сгорания с бесконечно быстрым перемешиванием реагентов и продуктов сгорания. Задача 14.2. Предельным случаем турбулентного пламени предварительно перемешанной смеси является случай бесконечно быстрого перемешивания реагентов и продуктов сгорания. Температура Гр и давление в камере сгорания также постоянны.
В представлениях ламинарной модели турбулентного пламени высоту элементарного конуса следует рассматривать как путь диффузии за время сгорания.
Из двух возможных структур турбулентного пламени - искривленной поверхности и раздробленной зоны горения, первая представляется для большинства исследователей наиболее очевидной.
Регистрируемая шлиреп-методом дискретная структура турбулентного пламени относится, собственно, к зонам подогрева, а по реакции.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11