Впервые ячейки пламени при горении малых количеств водорода в воздухе (до 10%, т.н. бедные смеси) наблюдали H. F. Coward and F. Brinsley, J. Chem. Soc. 105 (1914) 1859-1866.
При моделировании горения водорода в нашей статье [1 ] пренебрегается полем скоростей, и, соответственно, силой тяжести, о чем читателю сообщено в формулировке задачи. Результаты получены расчетным путем именно в этом приближении.
Наc интересовали результаты, получаемые в приближении невозмущенного фронта, для установления возможности согласования с опытом и с двухмерной моделью, учитывающей поле скоростей. Это связано с тем, что согласно эксперименту (Рис. 2-4) ячейки распространяются, находясь на границе сферического фронта, диаметр которого можно вычислить.
Можно ли осуществить простой расчет изменения диаметра этого фронта во времени и не усложнять программу образованием ячеек? Сильная ли будет разница с опытом?
Сказанное иллюстрирует Рис.1, на котором приведен результат скоростной киносъемки распространения фронта пламени, подсвеченного 2% ССl4, в нестехиометрической смеси 12.5%Н2 + 87.5% воздух при атмосферном давлении при скоростях съемки 300 кадров/с (Рис.1 а) и 60 кадров/c (Рис.1 б,в). Из рис. 1 а видно, что фронт пламени имеет по существу сферическую форму с возмущениями, амплитуда которых возрастает с увеличением радиуса пламени, при этом радиус такого пламени легко оценить из опытных данных.
Рис.1.
Видимая скорость пламени Vv, определенная из Рис.1а по изменению видимого радиуса сферического пламени, составляет 1.5 м/c, при этом нормальная скорость Un из соотношения Un = Vv/εT составляет 50 см/c с учетом того, что значение коэффициента расширения состаляет εT =3 . Отметим, что эти данные соответствуют таким моментам времени, когда фронт пламени не достиг боковых стенок реактора. Измеренная нами видимая скорость пламени Vv для нестехиометрической смеси 10.0%Н2 + 90.0% воздух составляет 43 см/c, при этом нормальная скорость Un составляет 21 см/c с учетом того, что для данной смеси εT =2. Эти значения нормальной скорости согласуются с величиной Un известной из литературных данных, а также близки к результатам нашего численного расчета Un, полученным при использовании модели ламинарного пламени [1]. Последнее означает, что наблюдаемые во фронте пламени возмущения не оказывают существенного влияния на его скорость как целого.
Из Рис. 1в (увеличенный кадр 2 рис. 1б) видно также, что фронт ячеистого пламени имеет сферическую форму и распространяется симметрично, его диаметр можно измерить.
На Рис.2 приведены результаты скоростной съемки для 10% Н2 в воздухе, которые иллюстрируют сферичность фронта пламени, диаметр которого измерим.
Рис.2.
Для 8% Н2 в воздухе на начальной стадии также характерна сферичность фронта горения (кадры 2-6), радиус которого можно измерить (Рис.3). Конечно, потом в поле силы тяжести фронт пламени искажается, поскольку горячие продукты двигают пламя вверх.
Рис.3.
Из данных Рис.3 можно сделать 2 вывода:
1. Фронт “ячеистого” пламени имеет по существу сферическую форму, при этом радиус такого пламени легко оценить из опытных данных.
2. Из Рис.3 (кадры 11-15) видно, как распространяется пламя в горизонтальном сосуде – ячейки перестают наблюдаться, как только пламя касается стенок.
Поэтому предположения, высказанные в [2] о том, что горизонтально распространяющееся пламя имеет ячеистую структуру, безосновательны. Ячейки, как нетрудно видеть, отсутствуют.
Отметим, что в [2] отсутствует экспериментальная методика, позволяющей наблюдать ячеистые пламена. В статье [2] процесс горения регистрируется с помощью фотодиодов, которые не в состоянии регистрировать пространственные особенности распространения пламени.
При “объяснении” возникновения ячеистой структуры в [2] рассматривается молекулярная реакцию Н2 + О2 без учета цепного механизма, как и в [3] (по существу, списана из [3]) хотя в цепных реакциях роль молекулярной реакции пренебрежимо мала, поскольку указанная реакция (здесь: Н2 + О2) — энергетически невыгодна.
На самом деле, ячеистая структура является не только следствием более быстрой диффузии Н2, а также атомов Н, диффундирующих быстрее чем Н2 и радикалов ОН, диффундирующих быстрее чем О2.
Таким образом, смесь воспламеняется не в режиме самовоспламенения (Зельдович в [3] дает упрощенную иллюстрацию существования ячеистого пламени на примере молекулярной реакции, что, как было указано выше, некорректно), а в процессе диффузии носителей цепей в свежую смесь и теплопроводности. Поэтому температура и меньше температуры самовоспламенения. И действительно, без начального поджига никакие смеси не взрываются, т.е. аналогия с самовоспламенением некорректна.
Расчет иллюстрирует, что наблюдаемые ячейки возникают за сферическим фронтом носителей цепей, в данном случае Н.
Рис.4. 8%Н2 в воздухе в поле силы тяжести, расчет концентрации атомов Н.
В работе «A HYPOTHETICAL BURNING-VELOCITY FORMULA FOR VERY LEAN HYDROGEN-AIR MIXTURES
by Forman A. Williams Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of California, San Diego La Jolla, CA, 92093
and Joseph F. Grcar Center for Computational Science and Engineering Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley, CA 94720-8142» предложена аналитическая теория ячеистого пламени, основанная на представлении пламени как плотной плоской структуры гексагонально упакованных шариков пламени (flame balls).
Сравним представленные в этой работе и полученнве нами результаты.
На Рис. 5 показано сравнение опыта и одномерного эксперимента без учета поля скоростей, т.е. заведомо без ячеек. Также на Рис.5 представлены результаты теории Виллиамса и наши расчетные и экспериментальные результаты.
Рис.5
Можно видеть, что результаты, полученные в [1] без учета поля скоростей, лежат весьма близко к экспериментальным данным по ячеистым пламенам. То, что данные [1] завышены, можно отнести к тому, что использованная в [1] реакционная схема окисления водорода редуцирована.
Таким образом, можно с большой степенью достоверности считать, что в бедных смесях образование ячеек проиходит за сферическим фронтом распространения пламени .
ССЫЛКИ
1. N.M.Rubtsov, B.S.Seplyarsky, G.I.Tsvetkov, V.I.Chernysh, Nimerical investigation of the
effects of surface recombination and initiation for laminar hydrogen flames at atmospheric pressure, Mendeleev Communications, 2008, V.18, P.220-222
2. Особенности горения водородо-воздушных смесей вблизи нижнего концентрационного предела распространения пламени, С.К.Абрамов, В.В.Азатян, Г.Р.Баймуратова, И.А.Болодьян, В.Ю.Навценя, Д.Н.Соколов, А.Ю.Шебеко, Ю.Н.Шебеко, Хим.физика, 2010, Т.29, №11, 50-543.
3. Я.Б.Зельдович, Н.П.Дроздов, Диффузионные явления у пределов распространения пламени. Журнал физической химии, 1943, Т.17, вып. 3, с.134-144
4. D.R. Dowdy, D.B. Smith, S.C. Taylor and A. Williams, Proc. Combust. Inst. 23
(1990) 325-332.
5. F.N. Egolfopoulis and C.K. Law, Proc. Combust. Inst. 23 (1990) 333-340.
6. S.D. Tse, D.L. Zhu and C.K. Law, Proc. Combust. Inst. 28 (2000) 1793-1800.
7. O.C. Kwon and G.M. Faeth, Combust. Flame 124 (2001) 590-610.
Мой Блог