1.3. Горение в движущемся газе

Для описания процессов горения используется термин «нормальна скорость пламени»². Он характеризует скорость движения фронта пламени в неподвижной газовой смеси. Такое идеализированное состоянии можно создать лишь в лабораторном эксперименте. В реальных условия горения пламя всегда существует в движущихся потоках.

Поведение пламени в таких условиях подчиняется двум законам, установленным русским ученым В. А. Михельсоном.

Первый из них устанавливает, что составляющая скорости газового потока V по нормали к фронту пламени, распространяющегося по неподвижной смеси, равна нормальной скорости распространения пламени деленной на соs φ

ν = u / соs φ (1.1)

где φ - угол между нормалью к поверхности пламени и направление газового потока.

Величина охарактеризует количество газа, сгорающего в единицу времени в косом пламени. Ее принято называть действительно скоростью горения в потоке. Действительная скорость во всех случае равна или превышает нормальную.

Этот закон применим только к плоскому пламени. Обобщение его на реальные пламена с искривлением фронта пламени дает формулировку второго закона - закона площадей.

Предположим, что в газовом потоке, имеющем скорость ν и поперечное сечение ε стационарно расположен искривленный фронт пламени с общей поверхностью S. В каждой точке фронта пламени пламя распространяется по нормали к его поверхности со скоростью u. Тогда объем горючей смеси, сгорающей в единицу времени ω составит:

ω =u_НS (1.2)

В соответствии с балансом исходного газа этот же объем равен:

ω = ν ε (1.3)

'

Приравнивая левые части (1.2) и (1.3) получаем:

ν =u_Н (1.4)

В системе отсчета, в которой фронт пламени перемещается по не­подвижной газовой смеси, соотношение (1.4) означает, что пламя распро­страняется относительно газа со скоростью ν. Формула (1.4) является ма­тематическим выражением закона площадей, из которого следует важный вывод: при искривлении фронта пламени скорость горения вырастает пропорционально увеличению его поверхности. Поэтому неоднородное движение газа всегда интенсифицирует горение.

1.4. Турбулентное горение

Из закона площадей следует, что турбулентность увеличивает ско­рость горения. На пожарах это выражается сильной интенсификацией процесса распространения пламени.

Различают (рис. 1.2) два вида турбулентного горения: горение одно­родной газовой смеси и микродиффузионное турбулентное горение.

При горении однородной смеси в режиме турбулентного горения возможны два случая: возникновение мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности. Такое разделение производится в зависимости от соотношения масштаба турбулентности и толщины фронта пламени При масштабе турбулентности меньшем толщины фронта пламени ее от­носят к мелкомасштабной, при большем - к крупномасштабной. Меха­низм действия мелкомасштабной турбулентности обусловлен интенсифи­кацией процессов горения за счет ускорения процессов тепломассопереноса в зоне пламени. При описании мелкомасштабной турбулентности формулах для скорости распространения пламени коэффициенты диффу­зии и температуропроводности заменяются на коэффициент турбулентно­го обмена.

Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горе­ния: поверхностный и объемный.

Поверхностный механизм состоит в искривлении фронта пламени турбулентными пульсациями. В этом случае скорость горения возрастает пропорционально увеличению поверхности фронта. Однако это справед­ливо лишь для условий, когда химические превращения в пламени завер­шаются быстрее, чем успеет произойти турбулентное смешение. В этом случае, когда турбулентное смешение обгоняет химическую реакцию, зо­на реакции размывается турбулентными пульсациями. Такие процессы описываются закономерностями объемного турбулентного горения.

Время турбулентного смешения τ_см равно отношению масштаба турбулентности l к пульсационной скорости u_пульс- Поэтому ускорение пламени за счет турбулентных пульсаций происходит по поверхностному механизму, если выполняется условие:

> τ_хим (1.5)

где τ_хим - время протекания химической реакции при температуре горе­ния Т_гор.

Если условие (1.5) не выполняется, то имеет место механизм объем­ного турбулентного горения.

Время химической реакции может быть выражено через макроско­пические величины: нормальную скорость пламени и толщину фронта пламени δ

τ_хим= (1.6)

Тогда критерий поверхностного ускорения принимает вид:

> (1.7)

Для оценки скорости ν распространения турбулентного пламени при поверхностном ускорении К. И. Щелкиным предложена формула:

ν = ω (1.8)

где В - слабо меняющееся число, не превышающее единицу. В пределе при сильной турбулентности турбулентная скорость пламени стремится к пульсационной скорости, т. е. В - к единице.