ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы О тепловом режиме факела из "Аэродинамика факела" Аэродинамическая модель факела неиеремешанных газов отражает лишь некоторые, хотя и весьма существенные, стороны сложного явления. Она, в частности, не позволяет определить ряд важных характеристик процесса, связанных с кинетикой химических реакций (полноту сгорания, условия стабилизации пламени и т. д.) Предельной схеме диффузионного горения при бесконечно большой скорости реакции отвечает в сущности единственный абсолютно устойчивый режим, при котором осуществляется полное реагирование исходных компонентов. Влияние режимных параметров на тепловой режим факела и его устойчивость принципиально не может быть учтено в рамках такой модели. Прямой путь расчета процесса при конечной скорости реакции связан с интегрированием системы дифференциальных уравнений в частных производных, содержащих нелинейные источники тепла и вещества. Он не получил достаточного распространения из-за значительных математических трудностей, с одной стороны, и отсутствия надежных данных о макрокинети-ческих константах, с другой. Это делает, видимо, нецелесообразным проведение в настоящее время массовых численных расчетов газовых пламен на ЭВМ, Отмеченное обстоятельство стимулирует развитие приближенных аналитических методов, сочетающих идеи теории пограничного слоя и теории теплового режима горения [27]. [c.21] Теория теплового режима горения, берущая начало от известных работ Н, Н. Семенова [68] и развитая Я- Б. Зельдовичем, Д. А. Франк-Каменецким [79] и другими, рассматривает влияние выделения тепла при реакции и условий теплообмена с окружающей средой на характер протекания процесса. Состояние системы определяется интенсивностью тепловыделения и теплоотвода и зависимостью их от температуры, давления и других параметров. Существенно, что изменение параметров ведет не только к количественному различию результатов, но и к качественному изменению характера протекания процесса. В зависимости ог конкретных условий могут реализоваться непрерывные бескризисные режимы, характеризующиеся плавным изменением параметров, и критические — гистерезисные, отличающиеся резким, практически скачкообразным переходом от одного устойчивого состояния к другому. В газовых пламенах интенсивность тепловыделения и теплоотвода определяется структурой течения (диффузия реагентов, конвективный теплообмен) и кинетикой химических реакций. Тем самым тепловой режим факела отражает органическую связь гидродинамики течения и горения. [c.21] Приближенное исследование теплового режима факела неиеремешанных газов может быть выполнено на основе квазигетерогенной схемы, сочетающей в себе допущение о существовании бесконечно тонкого фронта пламени с предположением о конечной скорости реакции на фронте. Физической предпосылкой для такой схематизации процесса является то, что переход от поверхностного горения (диффузионная область) к объемному (кинетическая область) и наоборот осуществляется в весьма узком интервале температур и практически совпадает с критическими режимами воспламенения и потухания. [c.21] Это позволяет не рассматривать протекание реакции в объеме факела и решать в качестве первого приближения по аналогии с гетерогенным горением задачу о горении газа на поверхности фронта пламени. В такой постановке задача сводится к интегрированию уравнений пограничного слоя без источников. Нелинейность, связанная с конечным значением скорости реакции, сохраняется только в дополнительных граничных условиях, представляющих собой уравнение материального и теплового баланса фронта пламени. [c.22] Отсылая за деталями расчета к работе [27], приведем лишь некоторые результаты исследования теплового режима факела на основе квазигетерогенной модели. [c.22] Как показывают расчеты, увеличение скорости истечения (или снижение калорийности топлива) приводит к уменьшению стационарных значений температуры горения и полноты сгорания. При некоторых критических значениях параметров происходит срыв горения — потухание. Этот процесс сопровождается резким, практически скачкообразным изменением температуры при переходе от одного устойчивого режима — режима горения — ко второму — режиму медленного окисления. Что касается влияния концентраций реагентов, то, как показывает решение, снижение концентрации топлива или окислителя приводит к уменьшению температуры горения. И наоборот, увеличение начальной концентрации реагирующих компонентов ведет к росту температуры факела и полноты сгорания и способствует улучшению условий стабилизации факела. Приведенные результаты, разумеется, не являются неожиданными. Они хорошо известны из повседневной практики сжигания топлива. Именно это — соответствие теоретического расчета и опыта- является убедительным подтверждением правомерности допущений, положенных в основу квазигетерогенной модели. [c.22] Квазигетерогенной модели свойственна известная ограниченность, связанная с представлением зоны горения в виде математической поверхности. Тем самым предполагается, что процесс смешения компонентов является совершенным. При турбулентном горении могут реализоваться такие условия,, при которых в зону реакции поступают моли неперемещанных компонентов. В этом случае полнота сгорания (и соответственно температура горения) будет зависеть не только от кинетики реакций, но и от скорости смешения. Естественно, что в рамках квазигетерогенной модели исключается возможность анализа такого процесса. К недостаткам этой схемы следует отнести также необходимость введения в расчет эффективных значений кинетических констант для условной гетерогенной реакции. [c.22] Выражение (1-4) может быть использовано и для оценки толщины зоны реакции в турбулентном факеле. В этом случае в (1-4) следует подставить значение коэффициента турбулентной диффузии Дт и эффективное значение константы скорости реакции к . В обоих случаях (ламинарное и турбулентное горение) численные значения коэффициентов, входящих в выражения для толщины зоны реакции, могут быть найдены в результате решения конкретной задачи о горении газа в пограничном слое. [c.23] Приведенные примеры свидетельствуют об эффективности сочетания методов теории теплового режима горения с аэродинамическим расчетом, проведенным на основе решения уравнений переноса без источников. Как и в ряде других случаев,, сочетание различных методов исследования значительно расширяет круг рассматриваемых вопросов и позволяет более полно отразить физическую сущность процесса. Обобщение аэродинамической теории на случай соизмеримых скоростей реакции и диффузии делает возможным исследование не только самого процесса стационарного горения, но его устойчивости. Эти вопросы приобретают исключительно большое значение в связи с постоянной тенденцией к дальнейшей интенсификации процесса горен в различных технических устройствах. [c.23] Вернуться к основной статье