Аксенов Лабораторный практикум по физике 2007

Рис. 2.5а. Визуализация зон с переменной плотностью ρ(z) при помощи теневого метода Теплера. Умозрительная граница двух областей: ρ = ρ0 (const), и

ρ = ρ0 – α(z – z1). Нож Фуко расположен сверху

Граница этих областей и нижняя ее часть фиксируются на экране очень контрастно, сравните с визуализацией на рис. 2.2а (для теневого метода).

Изменение освещенности на экране в полутеневом варианте для показанной на рис. 2.5а настройки ∆Е(z) ~ ∂∂ρz на фоне Е' = Е0/2.

Чувствительность метода Теплера заметно выше, чем теневого метода. Максимальная чувствительность имеет место в случае, когда ножом Фуко перекрывается именно половина изображения источника света S' (без введения неоднородной среды в поле зрения прибора). Относительная чувствительность метода Теплера в этом случае определяется следующим выражением:

21

На рис. 2.5б показано, как при помощи метода Теплера визуализируется зона волны горения, аналогичная показанной на рис. 2.3а, причем в двух вариантах положения линейного ножа Фуко: а) край ножа сверху; б) край ножа снизу (источник света на рис. 2.5б как и на рис. 2.4 и 2.5а – горизонтальная полоса S0 с четкими горизонтальными краями сверху и снизу).

Рис. 2.5б. Визуализация зон с переменной плотностью ρ(z) при помощи теневого метода Теплера

Зона горения визуализируется более светлой полосой с избыточ-

ной освещенностью ∆Е(z) ~ ∂∂ρz на фоне с освещенностью Е0/2 для

области исходной смеси и области продуктов горения – для варианта а. Для варианта б зона горения визуализируется темной полосой с аналогичным уменьшением освещенности ∆Е на таком же, как в варианте а фоне. Контрастность полутеневых изображений существенно выше, чем теневого изображения (см. рис. 2.3а).

22

2.1.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ИМЕТОДИКА РАБОТЫ

Вданной работе используется Z-образная зеркальная модель универсального теневого прибора ИАБ-451, принципиальная оптическая схема которого показана на рис. 2.6.

Прибор состоит из двух основных частей: коллиматорной (КТ) и наблюдательной (НТ) труб. В КТ при помощи источника света S (например, в форме светящейся нити), объектива O1, щели, регулирующей ширину эффективного источника света, поворотного плоского зеркальца З1, большого сферического зеркала З2 и корректирующего сферическую оберацию большого менискового объектива О2 формируется на выходе из системы широкий параллельный пучок света диаметром 23 см для просвечивания исследуемой среды.

При помощи наблюдательной трубы, которая также содержит менисковый объектив О3, большое сферическое зеркало З3, поворотное плоское зеркальце З4 (как в коллиматорной трубе) и дополнительно нож Фуко Н в форме вертикальной диафрагмы – полосы с вертикальной кромкой (для варианта с вертикальным источником света), а также объектива О4 проводится прежде всего построение

23

изображения источника света S' в плоскости, где располагается нож Фуко, и построение результирующего изображения просвечиваемого объекта на экране Э. При необходимости вместо экрана Э далее располагают какой-либо фоторегистрирующий прибор, например фотокамеру, или видеокамеру, или скоростную цифровую камеру, лупу времени (заменяя при необходимости источник света на импульсную лампу или лазер, а также форму ножа Фуко).

Используя прибор ИАБ-451 без ножа Фуко, получаем теневой вариант; введение ножа Фуко, соответствующего источнику света S, превращает систему в полутеневой прибор, более чувствительный. Поворот линейной оси источника света и края ножа Фуко позволяет визуализировать оптические неоднородности в разных направлениях, для чего в системе имеются необходимые приспособления.

2.2. ЗАДАНИЕ

Познакомиться с работой теневого прибора ИАБ-451 в вариантах:

теневого прибора (без ножа Фуко); полутеневого прибора (с линейным стационарным источником

света и линейным ножом Фуко).

В качестве объектов исследований использовать пластину из оргстекла, пластину из стекла с параллельными стенками, специальную стеклянную пластину-призму с переменной толщиной, слой нагретого газа у горячей металлической поверхности и факел пламени на горелке Бунзена.

Линейный стационарный источник света расположить вертикально; ширину щели установить в 1 мм, нож Фуко установить также вертикально и при его перемещении в горизонтальном направлении при помощи специальной каретки наблюдать переход от теневого варианта прибора к полутеневому варианту.

Используя экран Э с закрепленной матовой бумагой зарисовать получающиеся теневые и полутеневые картины на листе бумаги. Провести фотографическую регистрацию изображений пластиныпризмы, термического пограничного слоя и факела пламени. Просмотреть теневые и полутеневые картины (фотонегативы просмотреть при помощи фотоувеличителя).

24

Определить характерные зоны и границы на изображениях, увязывая освещенность элементов изображения с направлением изменения плотности просвечиваемой среды. Для факела пламени схематично показать распределение температуры Т(х) в горизонтальном направлении для центрального сечения зон факела на высоте середины высоты внутреннего конуса факела.

По полученной от преподавателя кинограмме (содержащей систему кинокадров, полученную при скоростной киносъемке фронта взрывной ударной волны в воздухе от микровзрыва с помощью лупы времени ЖЛВ) при помощи фотоувеличителя перерисовать с кинокадров положения фронта ударной волны относительно места взрыва в горизонтальном направлении (используя 12 – 15 кадров). Используя информацию о частоте киносъемки и масштабе изображения, построить графически зависимость R(t) – пройденного ударным фронтом расстояния от места возникновения, и затем методом графического дифференцирования определить скорость движения фронта воздушной ударной волны на определенных расстояниях от места взрыва.

ОТЧЕТ

Отчет о проделанной работе должен содержать:

1)теневые и полутеневые рисунки наблюдавшихся объектов;

2)горизонтальное распределение температуры в зоне пламени;

3)зависимость R(t) для фронта ударной волны;

4) зависимость скорости D(R) для фронта ударной волны

D = dRdt .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Кулагин С.В. Аппаратура для научной фоторегистрации и киносъемки. – М.: Машиностроение, 1990.

2.Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. – М.: Наука, 1984.

3.Саламандра Г.Д. Фотографические методы исследования быстропротекающих процессов. – М.: Наука, 1974.

25

РАБОТА 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ

Цель: ознакомление с методом определения пределов воспламенения газообразных горючих смесей и исследование пределов воспламенения метано-воздушных смесей в зависимости от состава

идавления.

3.1ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ

3.1.1.Общие сведения о пределах

Обычные горючие смеси содержат один или несколько горючих компонентов, а также воздух или чистый кислород. Горение в таких смесях способно распространяться не при любом соотношении компонентов, а лишь в определенных пределах состава, называемых концентрационными пределами горения.

Минимальное содержание горючего газа, при котором еще возможно горение, называют нижним пределом горения, максимальное содержание – верхним пределом.

Для инициирования процесса горения достаточно произвести зажигание (локальное воспламенение) горючей смеси в какой-либо точке объема, занятого смесью, с помощью какого-либо внешнего источника (нагретое тело, искра и др.).

Зажигание от внешнего источника влечет за собой рождение очага химической реакции, способного затем к самопроизвольному распространению, т.е. возникновение фронта пламени. Поэтому видимым и практически удобным критерием наличия или отсутствия воспламенения является факт распространения пламени от местного источника воспламенения на весь объем горючей среды.

Итак, в описанной выше картине горения смесь сначала воспламеняется в малом объеме определенного размера, а затем остальная часть ее сгорает во фронте образовавшегося при воспламенении и распространяющегося затем пламени. Отсюда следует, что практически пределы распространения пламени оказываются неотделимыми от пределов его возникновения – пределов вынужденного

26

воспламенения. По этой причине можно было бы ожидать, что пределы воспламенения и распространения должны совпадать друг с другом. Однако в действительности явления воспламенения и распространения пламени представляют собой явления разной природы. Это различие проявляется в неодинаковой роли, которую играет в обоих явлениях теплоотвод из зоны химической реакции в исходную смесь.

Воспламенение, как явление теплового взрыва, определяется соотношением между скоростью тепловыделения в реагирующем объеме и скоростью теплопередачи через поверхность, разделяющую продукты реакции от свежей смеси. В этом случае отвод тепла, а также химически активных центров из зоны реакции в свежую смесь всегда является фактором, тормозящим воспламенение.

При горении во фронте пламени имеет место как раз обратная картина, а именно – перенос тепла и активных центров из зоны реакции в свежую смесь является самим условием распространения пламени. Отсюда следует, что в общем случае пределы воспламенения (зажигания) и пределы распространения пламени не должны совпадать между собой. Общей, однако, является природа обоих пределов.

С химической точки зрения наличие пределов воспламенения и распространения пламени является прямым следствием цепного механизма протекания химических реакций в зоне горения. С физической точки зрения пределы являются следствием неизбежных теплопотерь из зоны химической реакции, за исключением потерь в свежую смесь при распространении пламени. При распространении пламени в трубках этими потерями, тормозящими или делающими невозможным распространение пламени, являются потери в стенки.

Для сферического пламени, распространяющегося в неограниченном пространстве, непосредственной причиной, обусловливающей невозможность распространения горения, являются, по Я.Б. Зельдовичу, потери тепла термическим излучением.

Для сферического пламени, распространяющегося в замкнутом объеме, кроме термического излучения к потерям тепла могут добавиться потери в стенки по механизму молекулярной теплопроводности через несгоревшую смесь. Однако эти потери могут про-

27

явиться только при малых размерах сосуда, в котором идет горение.

Пределы воспламенения, с одной стороны, зависят от типа и свойств источника зажигания, его конструкции, характерных размеров, материалов, из которого сделан источник, а также от его тепловой или электрической мощности (в случае искрового зажигания). С другой стороны, пределы воспламенения зависят от природы горючей смеси, ее начального давления и температуры, а также от характерного размера сосуда, в котором проводится воспламенение.

Пределы распространения пламени от свойств источника зажигания не зависят, а определяются только свойствами горючей смеси и условиями распространения. При применении достаточно мощных источников зажигания (в случае искрового зажигания – предельной или насыщающей искры), а также при воспламенении горючих смесей в сосудах большого размера (с характерным размером, больше некоторого критического) пределы воспламенения совпадают с пределами распространения пламени для данной смеси.

На пределы воспламенения и распространения пламени существенное влияние оказывает различного рода примеси и добавки в исходной смеси.

3.1.2.Установка «Сферическая камера» для исследования пределов воспламенения и распространения пламени

Общая схема установки представлена на рис. 3.1. Основу ее составляет стальная толстостенная камера сгорания 2 сферической формы диаметром 210 мм и рабочим объемом 4,85 дм3, состоящая из корпуса 1 цилиндрической формы и съемной крышки 8, которая крепится к корпусу с помощью шпилек через уплотнительные ме- талло-пластиковые прокладки 7, благодаря которым, а также особой зубчатой конструкции системы корпус-крышка, достигается герметичность соединения. В крышке 8 предусмотрены основные вводы, необходимые для вакууммирования камеры сгорания и наполнения ее компонентами горючей смеси, а также для монтажа различных датчиков. Для проведения оптических и фотоэлектрических измерений в корпусе камеры сгорания 1 имеется узкая щель,

28

которая закрывается прозрачной плексигласовой или кварцевой пластинкой 5 через уплотнительные прокладки 3 специальным фланцем 4 с помощью шпилек.

Рис. 3.1. Общая схема установки «Сферическая камера» для исследования пределов воспламенения и распространения пламени

Вакууммирование камеры сгорания осуществляется с помощью форвакуумного насоса 10 через соединительную вакуумную магистраль, содержащую фильтр-ловушку 9 и вентили В10 и B11.

Разрежение в камере сгорания во время вакууммирования контролируется с помощью мембранного образцового вакуумметра П2, который соединяется с камерой сгорания через вентили В5, B1. Остаточное давление в камере измеряется абсолютным манометром

29

ПЗ, манометрический преобразователь которого соединяется с камерой сгорания через вентиль В6.

Вентиль В6 служит для включения манометра ПЗ после того, как в камере сгорания создано необходимое предварительное разряжение. Наполнение камеры сгорания газообразными компонентами горючей смеси производится из баллонов с горючим и окислителем с помощью вентилей В2 и ВЗ соответственно.

В случае работы с топливовоздушными смесями газовая магистраль окислителя отключается и вход вентиля ВЗ соединяется с атмосферой. В качестве горючего компонента может быть использован городской газ (в основном метан). В этом случае вход вентиля В2 подключается к магистрали городского газа.

Для того, чтобы компоненты горючей снеси быстро перемешивались еще в процессе заполнения камеры сгорания, ввод магистрали горючего и окислителя выполнен таким образом, чтобы струя очередного компонента горючей смеси попадала внутрь камеры сгорания под малым углом к внутренней поверхности сферы рабочего объема с большой скоростью, для чего канал ввода делается малого диаметра. Благодаря этому происходит интенсивное закручивание втекающего в камеру сгорания очередного компонента и быстрое его перемешивание с имеющимся там газом.

Начальное давление горючей смеси при работе с давлением, ниже атмосферного, измеряется в камере сгорания с помощью вакууметра П2. При работе с давлениями, выше атмосферного, начальное давление измеряется с помощью образцового манометра П1, который соединяется с камерой сгорания через вентиль В4. Измерители давления П1, П2 и П3 служат также и для составления исходной горючей смеси определенного состава.

Вентиль В7 предназначен для отбора проб газа из камеры сгорания и заполнения ими дозы 11 для последующей их подачи на анализ с помощью крана-дозатора 12.

Вакуумирование дозы осуществляется с помощью насоса 10, для чего рабочий объем дозы соединяется с вакуумной магистралью установки вентилем В9.

С помощью вентиля В8 осуществляется заполнение дозы воздухом. Разрежение и давление газа в рабочем объеме дозы контролируется и измеряется вакууметром П2 и манометром ПЗ.

30