Аксенов Лабораторный практикум по физике 2007

РАБОТА 4

ДВИЖЕНИЕ ФРОНТА ПЛАМЕНИ ВО ВЗРЫЧАТЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ ПО КОРОТКИМ ТРУБАМ, КАНАЛАМ И В ОГРАНИЧЕННЫХ СТЕНКАМИ ОБЪЕМАХ

Цель: знакомство со скоростными фотографическими методами исследования движения волн горения в газовых смесях в трубах и каналах.

ВВЕДЕНИЕ

Если в ограниченном стенками объеме, например в трубе, канале, камере, сосуде, помещении, образовалась горючая газовая смесь, например смесь воздуха с метаном, пропаном или другими горючими газами соответствующего состава, и если в этом объеме создать необходимые условия поджигания (раскаленная током спираль, искровой разряд, открытый факел пламени), то горючая смесь первоначально воспламенится от источника в небольшом, примыкающем к нему объеме.

После того, как горючая смесь прореагирует в этом небольшом объеме (где за счет внешнего источника было организовано воспламенение), тепло, выделившееся в ходе химической реакции окисления в этом месте, нагреет соседние слои газовой смеси в объеме и вызовет их воспламенение. Эти слои воспламеняясь, поджигают следующие близлежащие слои смеси и т.д. Таким образом, в газовой смеси в объеме возникает и начинает распространяться от источника зона реакции с энерговыделением – пламя. Эта зона по толщине сильно ограничена (доли миллиметра), с одной стороны этой зоны находится исходная смесь, с другой – сильно разогретые продукты горения.

В первом гидродинамическом приближении зону горения можно представить бесконечно тонкой поверхностью, и горение в трубе – как две области: область исходной смеси и область продуктов горения, разделенные поверхностью – фронтом пламени (рис. 4.1).

42

Рис. 4.1. Схема расположения фронта пламени в трубе

Рис. 4.2. Схема распространения фронта пламени в трубе в системе координат, связанных с фронтом пламени

Процесс распространения фронта пламени в неподвижной смеси характеризуется величиной линейной скорости горения u0, определяемой как объем горючей смеси, который реагирует в единицу времени (с) на единичной площади поверхности фронта пламени (1 см2). Размерность скорости горения – см/с.

Скорость горения или скорость фронта пламени u0 представляет ту скорость, с которой зона горения (фронт пламени) перемещается относительно горючей смеси в направлении, нормальном фронту пламени. Иногда используют понятие массовой скорости горения G, которая определяется как произведение плотности горючей смеси ρ0 на скорость горения u0: G = u0ρ0, что соответствует количеству вещества исходной смеси, сгорающему в единицу времени на единичной площади фронта пламени.

Для процесса распространения пламени в конкретных условиях используют такое понятие, как видимая скорость фронта пламени – ue, это скорость фронта в лабораторной системе координат, т.е. скорость фронта относительно неподвижных стенок сосуда.

Анализ кинематики явления распространения пламени в горючих смесях удобно проводить, используя движущуюся систему координат, в которой фронт пламени покоится (рис. 4.2). В этой сис-

43

теме, построенной относительно фронта пламени, исходная горючая смесь втекает во фронт со скоростью горения u0, а продукты горения вытекают из фронта со скоростью u1.

Закон сохранения количества вещества в зоне горения, представленный в интегральной форме для двух сечений: в исходной смеси и в продуктах горения, требует выполнения уравнения:

ρ0u0 = ρ1u1,

где ρ0 и ρ1 – плотности исходной смеси и продуктов горения соответственно. Так как продукты горения нагреты до высокой температуры по сравнению с исходной смесью (Т1 ~ 2000 К) и, следовательно, имеют пониженную плотность (ρо/ρ1 ~ 6,5), то скорость продуктов горения относительно фронта u1 заметно больше скорости исходной смеси относительно фронта пламени u0: u1/ u0 = 6,5.

4.1. ВЛИЯНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ НА ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФРОНТА ПЛАМЕНИ В ПОЛНОСТЬЮ И ЧАСТИЧНО ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ

Фронт пламени движется относительно исходной смеси со скоростью u0, а по отношению к продуктам горения со скоростью u1, следовательно, продукты горения движутся относительно исходной смеси со скоростью u1 – u0, не равной нулю. В горючей смеси не могут одновременно покоиться и исходная горючая смесь, и продукты горения. Эта особенность движения в процессе распространения пламени приводит к интересным результатам при исследовании характера движения фронта пламени относительно стенок объема при различных граничных условиях.

Рассмотрим ситуацию при горении газовой смеси в вертикальных трубах или каналах, длина которых L заметно больше поперечного размера d ~ S0,5, где S – площадь поперечного сечения канала (трубы), но не более чем в 30 раз, т.е. канал сравнительно короткий. Если вертикальную трубу заполнить горючей смесью; искру, зажигающую смесь, расположить у верхнего конца трубы, который оставить открытым (рис. 4.3), то при поджигании будет происходить следующее. Пламя, возникшее у искрового промежутка, будет распространяться вниз по смеси в трубе с постоянной скоростью u0, величина которой может быть измерена, например, методом скоростной фотосъемки, или ионизационными датчиками.

44

Продукты горения в этом варианте движутся вверх относительно фронта пламени со скоростью u1, т.е. в лабораторной системе координат они вытекают из открытого конца трубы со скоростью u1 – u0. Искровой промежуток располагается сверху для того, чтобы избежать искажающего действия на пламя свободной конвекции нагретых продуктов горения из-за архимедовой подъемной силы. Видимая скорость uв ~ u0, по крайней мере на начальной стадии горения.

Если в такой же вертикальной трубе, заполненной горючей смесью, искровой разрядник расположить снова у верхнего, но закрытого конца трубы, а нижний конец открыть, то при поджигании будет происходить следующее.

Пpoдукты горения, контактирующие с закрытым верхним концом трубы, должны покоиться, но расширяться вниз, увеличиваясь

вобъеме (они сильно нагреты). А это означает, что фронт пламени должен перемещаться относительно покоящихся продуктов горе-

ния со скоростью u1. Исходная горючая смесь в этом случае должна двигаться относительно стенок трубы со скоростью u1+ u0, направленной вниз и даже вытекать из трубы снизу (рис. 4.4). Следовательно, при поджигании смеси от закрытого конца трубы фронт пламени будет двигаться вниз к открытому концу относительно стенок заметно быстрее, чем в случае поджигания от открытого конца трубы (см. рис. 4.3).

Давление в продуктах сгорания в этих двух вариантах будет очень незначительно отличаться от давления в исходной смеси и практически будет почти равно внешнему атмосферному давлению.

Если оба конца трубы закрыты, т.е. процесс горения развивается

взамкнутом объеме, то будет наблюдаться более сложная последовательность этапов движения фронта пламени. Видимая скорость

фронта пламени uв будет сильно переменной во времени величиной.

На начальной стадии после инициирования горения, когда фронт сравнительно недалеко отошел от закрытого верхнего конца трубы, процесс развивается как бы в трубе с открытым нижним концом. При этом развивается движение исходной смеси, которая выталкивается вниз расширяющимися нагретыми продуктами горения со скоростью u1 + u0.

45

Но, в действительности, исходная смесь не имеет возможности вытекать из трубы, так как нижний конец тоже закрыт. В результате происходит монотонное сжатие этой смеси с ростом давления. Скорость ее движения вниз начинает уменьшаться, становиться заметно меньше u1. Кроме того, начинают сжиматься и продукты горения, они получают возможность двигаться вверх. Все это приводит к тому, что видимая скорость фронта пламени начинает быстро уменьшаться на стадии движения фронта пламени в центральной части трубы. А в нижней части трубы фронт пламени движется как бы со свободным оттоком продуктов сгорания от фронта вверх, но также в условиях непрерывно повышающегося давления. Видимая скорость фронта пламени uв приближается к величине u0, но определяемой для условий повышенных значений давления и температуры исходной смеси.

Напрашивается предложение использовать значение видимой скорости uв ~ u0, определенное экспериментально в опытах по горению с поджиганием у открытого верхнего конца трубы, как величину нормальной скорости пламени un, которая является физикохимической характеристикой горючей смеси. Этот вывод, однако, не совсем верен. Простейшая гидродинамическая модель распространения пламени в вертикальной трубе не учитывает целый ряд важных факторов, которые проявляются в реальных условиях го-

46

рения в трубах и каналах и приводят к тому, что измеряемая видимая скорость пламени при условии поджигания у открытого верхнего конца трубы uв отличается от значения действительной нормальной скорости пламени (величину которой можно экспериментально измерить другими методами, например, методом горелки, методом мыльного пузыря и др.).

Важнейшим среди этих факторов является фактор кривизны поверхности фронта пламени в трубе. Еще в начале XX в. российский физик В.А. Михельсон отмечал, что перемещающееся вдоль трубки пламя никогда не имеет форму плоскости, перпендикулярной ее оси, но всегда представляется в виде мениска выпуклостью в сторону движения с большим или меньшим радиусом кривизны. Фиксируемая экспериментально видимая скорость пламени в трубе при поджигании у открытого верхнего конца трубы представляет скорость всего фронта в целом – u0. Нетрудно найти связь между этой скоростью и действительно величиной нормальной скорости пламени un, используя само определение нормальной скорости (секундный расход смеси на единичной площади поверхности пламени), в форме:

un F =u0 S ,

где F – площадь криволинейной поверхности пламени; S – площадь поперечного сечения трубы, так как F > S , то un < u0.

Среди других факторов, которые искажают предлагаемую идеализированную картину распространения пламени в вертикальных трубах, следует также назвать следующие. При поджигании от закрытого конца трубы интенсивная теплопередача от продуктов горения к стенкам и торцу трубы приводит к охлаждению продуктов горения и их сжатию. Это влияет на движение фронта пламени, замедляется скорость его движения сначала.

В этом случае пламя распространяется по движущейся смеси, в которой имеет место распределение скорости по радиусу в сечении трубы (из-за трения на стенке), а это искажает одномерность процесса горения, искривляет фронт пламени. Кроме того, измерения скорости пламени по схеме, показанной на рис. 4.3, в сравнительно быстро горящих смесях не дадут удовлетворительных результатов в центральной части трубы из-за развития неустойчивости фронта пламени, которая проявляется в форме вибраций фронта. Пламя в

47

этом случае распространяется с постоянной скоростью только на небольшом верхнем участке трубы.

Эффективная частота колебаний фронта определяется частотой свободных колебаний столба нагретого газа – продуктов горения, вытекающих через открытый верхний конец трубы.

Горение в более сложных по сравнению с трубой геометрических условиях (в камерах сложной формы, помещениях и др.) развивается заметно сложнее. При этом фронт пламени искривляется за счет движения исходной горючей смеси и продуктов горения, их сжатия и расширения.

Применительно к проблеме воспламенения и дальнейшего развития горения в условиях аварийно-возникшей горючей смеси в промышленных и бытовых помещениях можно отметить следующее.

1.Очень важное обстоятельство – очаг воспламенения возник в полностью закрытом помещении или в частично открытом (открытые двери, окна).

2.Не менее важное обстоятельство (если помещение частично открытое) – где произошло зарождение очага воспламенения: в окрестности отверстий, соединенных свободно с внешней атмосферой, или вдали от них.

3.И, наконец, если помещение первоначально закрытое, но изза повышения давления при развитии горения и в продуктах горения, и в исходной смеси, возможно разрушение непрочных стенок (окна, двери, слабая кровля и т.д.) на сравнительно ранней стадии горения в еще замкнутом объеме; это разрушение меняет граничные условия и переводит процесс горения из одного варианта в другой и по скорости движения фронта пламени, и по характеру изменения давления в помещении.

4.2.СКОРОСТНАЯ ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В ТРУБАХ

ИКАНАЛАХ

Одним из наиболее простых методов регистрации процессов распространения пламени в трубах и каналах является метод щелевой фоторазвертки при помощи скоростного и ждущего фоторегистра с фиксацией собственного свечения зоны горения.

48

Для регистрации процесса горения методом непрерывной щелевой фоторазвертки необходимо обеспечить относительное ортогонально направленное движение фотоматериала и спроектированного на его поверхность изображения регистрируемого объекта – элемента фронта пламени. Это достигается механическим перемещением (вращением, протяжкой) фотопленки или соответствующим перемещением всего изображения по неподвижной фотопленке при помощи вращающегося плоского зеркала (метод зеркальной развертки).

При щелевой фоторазвертке поле наблюдения исследуемого процесса ограничивается узкой линейной щелью, которая проецируется на фотопленку перпендикулярно направлению взаимного перемещения фотоматериала и изображения. В этом случае движение самосветящихся областей вдоль щели фиксируется на фотопленке в виде полосы почернения, т.е. как кривая в координатах путь-время, что удобно для определения расстояний, скоростей, ускорений и промежутков времени при движении светящихся областей.

Щель

α L1

Фронт пламени

Рис. 4.5. Схема фоторегистрации процесса распространения фронта пламени по вертикальной трубе при помощи барабанного фоторегистратора

Простейшая схема реализации метода фоторазвертки показана на рис. 4.5. Из схемы видно, что скорость движения светящегося объекта (фронта пламени вдоль направления щели) в каждой точке пути определяется наклоном траектории перемещения изображения объекта на движущейся фотопленке:

49

где β – коэффициент уменьшения изображения относительно размера объекта; uр – линейная скорость движения фотоматериала при его вращении; α – угол между касательной к линии фоторазвертки на фотопленке и направлением ее движения, т.е. ее краем. Коэффициент уменьшения β можно определить, используя реперные метки на щели и их изображения на фотопленке.

Касательные к линии фоторазвертки можно строить, используя графический зеркальный метод.

Скорость uр определяется из характеристик фоторегистра, используемого в данной работе (из таблицы на редукторе фоторегистра по положению рукояток переключения шестеренок редуктора).

Оценивая относительную погрешность измерения скорости фронта пламени методом фоторазвертки посредством выражения:

можно установить, что оптимальные условия регистрации соответствуют углу α около 45°, так как sin 90° = 1, что соответствует ситуации, когда фотопленка на барабане фоторегистра и изображение фронта пламени имеют примерно равные скорости. Это условие и используют при подборе необходимой для фоторегистрации скорости uр, оценивая предварительно ожидаемую скорость фронта.

следующее.

Погрешность определения угла α зависит в основном от точности способа построения касательной к линии фоторазвертки, вели-

чину sin22∆αα по минимуму можно оценить как 0,01.

Погрешность определения коэффициента β зависит в основном от точности измерения линейных расстояний на камере горения

50