Аксенов Лабораторный практикум по физике 2007

УДК 544.3(076.5) ББК 24.5я7 А 42

Аксенов В.С., Губин С.А., Любимов А.В. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ И КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД, ПО ГАЗОДИНАМИКЕ УДАРНЫХ И ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН: учебное посо-

бие. – М.: МИФИ, 2007. – 112 с.

Представлены описания лабораторных работ по физике горения газообразных и конденсированных горючих сред, по газодинамике ударных и детонационных волн в различных средах.

В каждой работе даны необходимая теоретическая информация, методическая составляющая исследования, а также характеристики используемых технических измерительных систем. При этом учитывается, что большинство объектов исследования – быстропротекающие энергоемкие процессы, при экспериментальном анализе которых необходимы скоростные средства измерения и регистрации с необходимыми динамическими характеристиками.

Предназначено для студентов, специализирующихся по физике быстропротекающих процессов в рамках специальности «Физика кинетических явлений».

Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.

Рецензент канд. техн. наук, доц. Ю.П. Нещименко

Редактор М.В. Макарова

Подписано в печать 08.11.2007. Формат 60x84 1/16 Печ. л. 7,0. Уч.-изд. л. 7,0. Тираж 150 экз.

Изд. № 3/1. Заказ № 0-601

Московский инженерно-физический институт (государственный университет) 115409, Москва, Каширское ш., 31

Типография издательства «Тровант». г. Троицк Московская обл.

РАБОТА 1

ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ НА БУНЗЕНОВСКОЙ ГОРЕЛКЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ДЛЯ МЕТАНО(ПРОПАНО)ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Цель: ознакомление с фотографическим методом определения величины нормальной скорости горения в газовых горючих смесях на бунзеновской горелке.

ВВЕДЕНИЕ

Фотографическая регистрация является одним из наиболее эффективных экспериментальных методов исследования быстропротекающих процессов, широко применяемых при решении многих современных научных и практических задач.

Важные проблемы процессов горения и взрыва газовых смесей и конденсированных систем, распространения ударных волн в воздухе и воде, действия взрыва в грунте и на сооружениях были решены с использованием методов скоростной фотографической регистрации.

Процесс горения газовых смесей – самосветящийся. Фотографические методы исследования этих процессов входят в группу оптических методов исследований быстропротекающих процессов. Оптические методы исследования являются очень эффективными, так как:

1)не вносят явных возмущений в исследуемую среду и не вызывают изменений ее физических и химических свойств;

2)могут обладать большой чувствительностью;

3)дают возможность исследовать сравнительно большие по геометрическим масштабам явления, одновременно детализируя их;

4)сравнительно мало инерционны.

Простейшим фотографическим методом является метод однокадровой импульсной фотографической съемки с малым временем экспонирования. Очень просто оформляется этот метод при съемке самосветящихся объектов, каким является зона горения, причем

3

(например, 1:10 для метановой смеси), которая готовится в трубке ранее при перемешивании потока метана и потока воздуха. С другой (верхней) стороны у выхода смеси во внешнее пространство происходит сгорание смеси с образованием сложного по структуре факела пламени.

Внешний

конус

Внутренний

конус

Рис.2. Внешний вид стационарного факела пламени на горелке: а) горе

Рис. 1.2. Внешний вид стационарного факела пламени на горелке: горелка круглого сечения (а); щелевая горелка (б)

Коротко о структуре факела пламени на бунзеновской горелке круглого сечения. Общий вид факела показан на рис. 1.2, а. В факеле можно четко различить две светящиеся зоны: достаточно тонкую сине-фиолетовую по цвету конусообразную (вершиной вверх) зону – «внутренний конус», объемно слабо светящуюся внешнюю оболочку факела пламени над внутренним конусом, которая называется внешним конусом. Во внутреннем конусе происходит сгорание исходной смеси. В область внешнего конуса прежде всего попадают продукты неполного окисления и разложения компонентов исходной смеси из зоны внутреннего конуса. Туда же подсасывается воздух (и, следовательно, кислород) из внешней атмосферы. В результате в области над внутренним конусом возникают усло-

5

вия для формирования диффузионного горения, что и происходит во внешнем конусе. Особенно явно наблюдается зона внешнего конуса при сгорании обогащенной углеродосодержащим горючим смеси. В таком случае в этой зоне наблюдается ярко-желтое свечение частиц неокисленного углерода.

W

Рис. 1.3. Схема формирования поверхности внутреннего конуса в факеле пламени на круглой горелке по Михельсону: АС – линия среза трубки; АО и ОС – образующие внутреннего конуса фронта пламени; ОВ – ось трубки и внутреннего конуса, переменное распределение по радиусу скорости смеси в трубке заменено постоянным значением средней скорости

В нашем случае наиболее интересным является внутренний конус. Эта светящаяся область представляет собой сравнительно узкую зону горения с интенсивным энерговыделением при химическом возбуждении ионов молекул и радикалов и их излучении – своеобразное покоящееся пламя, находящееся в движущемся газе. Идеализированная схема формирования внутреннего конуса показана на рис. 1.3. Линия ОА – сечение круглой конической поверхности плоскостью рисунка – элемент фронта горения, движущийся в нормальном направлении с нормальной скоростью горения относительно исходной смеси, которая также движется, но вертикально

вверх со скоростью W , вытекая из трубки. В результате линия ОА

6

как элемент фронта горения оказывается в «динамическом равновесии» в указанном положении с углом α относительно вертикального направления. При устойчивом горении величина этого угла определяется геометрией изображенного треугольника (oad), что приводит к выражениям:

sin α = Wun ; un =W sin α .

Из осевой симметрии течения из трубки следует, что фронт горения должен сформироваться как коническая поверхность с углом при вершине 2 α это и есть по идеальной модели внутренний конус. Из приведенного выше выражения следует, что указанный фронт горе-

ния может возникнуть при выполнении условия W ≥un . При уменьшении скорости истечения смеси W угол при вершине внутреннего конуса 2 α увеличивается (в пределе до 180º при W = un , т.е. конус вырождается в плоскую круглую поверхность у среза трубки). При последующем уменьшении W произойдет проскок пламени внутрь трубки, фронт пламени сам будет двигаться в лабораторной системе координат в трубе до места образования горючей смеси.

Существует и верхняя граница для W для устойчивого бунзеновского пламени. Это условие – переход от ламинарного режима течения горючей смеси в трубке к турбулентному неустойчивому

режиму течения при скорости ≥W , величина которой определяется из выражения для критического значения числа Рейнольдса Re =

= d Wνкр , которое по порядку равно 2000 (d – диаметр трубки, ν –

коэффициент кинематической вязкости смеси). Окончательно условие устойчивого горения можно записать в форме неравенств:

Wкр >W ≥un .

При Wкр <W факел пламени не исчезает, он трансформируется

в факел турбулентного пламени с еще более сложной структурой. Возможен простой метод определения величины нормальной скорости пламени un при помощи бунзеновской горелки путем

импульсного фотографирования факела пламени и последующего определения по фотографическому изображению на фотокадре

7

полной площади поверхности внутреннего конуса (как фронта пламени) – F. Количество горючей смеси, поступающей в зону горения (к внутреннему конусу снизу из трубки) за промежуток вре-

мени ∆t, равно Q = S ∆tW , где S – площадь сечения трубки или

канала щели, из которой вытекает смесь; W – средняя по сечению скорость смеси в трубке (канале), величина которой может быть определена экспериментально по величине удельного расхода сме-

си q = SW . Условие баланса вещества в зоне горения приводит к выражению:

Q = q∆t = un F∆t , откуда un = q / F .

Возможен и другой способ определения величины un, также опирающийся на геометрическую обработку фотоизображения внутреннего конуса для круглой трубки. Из ранее записанного ус-

ловия для треугольника (oad) (см. рис. 1.3) un =W sin α . Однако

для реального внутреннего конуса с криволинейной образующей ОА из-за радиального распределения скорости течения смеси в

трубе u = u(r).

Можно предложить простой выход из этого сложного положения. Если принять во внимание, что на расстоянии (r1 = 0,6R) от оси трубы, где R = d/2, значение местной скорости W(r1) совпадает со

средней скоростью W (которую легко определить экспериментально), то, построив касательную к линии фотоизображения внутреннего конуса в точке с расстоянием (r1 = 0,6R) от оси трубы и определив угол α между этой касательной и вертикальной oсью, можно определить значение un:

u=W (r1 )sin α1 = q sin α1 = q sin α1 / S .

1.2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Схема экспериментальной установки для импульсной фоторегистрации зоны горения на бунзеновской горелке показана на рис. 1.4. Бунзеновская горелка (круглая или щелевая) 1 питается практически стехиометрической смесью метана (пропана) с воздухом, которая поступает из ротаметра 2 – прибора для измерения удельного расхода q горючей смеси.

8

7 5 6

Z

90-

80-

70-

50-

40-

30-

20-

10-

3 4 0-

3

Рис. 1.4. Схема установки для импульсного покадрового фотографирования факела пламени

Ротаметр представляет собой вертикальную стеклянную трубку со слабо увеличивающимся внутренним диаметром (линейно по длине), внутри которой находится легкий пластмассовый поплавок. На стенке трубки равномерно нанесены деления от 0 до 100. При подаче газа в ротаметр снизу поплавок в трубке из-за действия силы лобового сопротивления газового потока поднимается вверх до положения z, когда сила сопротивления уравновесится силой тяжести поплавка за вычетом малой архимедовой выталкивающей силы.

Для конкретного ротаметра и конкретного газа имеется калибровочная кривая – удельный расход q – высота подъема поплавка: q = Kz смесь метана (пропана) с воздухом нужного состава. Фото-

камера типа «Зенит-Е» или цифровая камера 5 закреплена на определенном расстоянии от горелки для получения достаточно большого изображения на фотопленке или фотокадре 7. Фотоматериалом при фотохимической регистрации является достаточно высокочувствительная фотопленка типа «Аэрофото».

Технология эксперимента состоит из следующих элементов: 1) из формирования качественного бунзеновского факела пламени;

9

2) из определения величины удельного расхода q для данного факела по показанию ротаметра z при помощи калибровочного гра-

фика ротаметра q (z); 3) далее проводится наводка фотокамеры на

объект съемки – факел пламени, строится резкое изображение факела на матовом стекле видоискателя фотокамеры или на дисплее цифровой камеры; 4) затем проводится экспонирование изображения на фотоматериал, или на светочувствительную матрицу, цифровой камеры путем нажатия на соответствующую кнопку на камере, причем предварительно выставляются время экспозиции кадра не более 1/30 с и максимальное относительное отверстие объектива камеры (минимальная диафрагма).

1.3. ТЕХНИКА ФОТОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ФОТОПЛЕНКИ

1.Фотопленка, которая наматывается в полной темноте на специальную катушку, помещается в фотобачок, затем проявляется в специальном проявляющем растворе (проявителе) в течение определенного времени (около 4 мин). При этом скрытое изображение на фотопленке превращается в видимое изображение.

2.Первая промывка водой после сливания проявляющего раствора проводится при закрытой крышке бачка, в результате которой с фотоэмульсии смывается проявитель (около 1 мин).

3.Фиксирование фотоэмульсии (закрепление) осуществляется путем ее обработки в растворе фиксажа после слива из бачка воды,

врезультате чего фотоэмульсия перестает быть светочувствительной (при закрытой крышке бачка около 7 – 10 мин).

4.Вторая (окончательная) промывка фотопленки водой после сливания фиксажа из бачка для очистки фотоэмульсии может проводиться уже на свету с открытой крышкой бачка (3 – 5 мин).

5.Сушка фотопленки с негативными изображениями факела пламени осуществляется в вертикальном подвешенном виде.

1.4.ЗАДАНИЕ

1.При участии преподавателя сформировать стационарный факел пламени сначала на круглой, а затем на щелевой горелках с измерением величин расхода q в каждом случае.

10