Аксенов Лабораторный практикум по физике 2007

между реперными метками и на фотоизображении; по минимуму величину ∆ββ можно оценить как 0,005.

Наконец, точность определения скорости фотопленки uр зависит от стабильности частоты вращения электродвигателя фоторегистра, которая из-за нестабильности частоты электросети пределах ~ 0,005 имеет близкое значение.

Таким образом, при определении скорости движения фронта пламени при помощи метода щелевой фоторегистрации с механической барабанной разверткой относительную погрешность измерений трудно сделать менее 2 %, реально она выше.

Достаточно доступной системой для получения фоторазверток является барабанный фоторегистр типа ФР-11 (изготовлен в ИХФ РАН). Это ждущий фоторегистр, готовый в любой момент времени после необходимой настройки, включения электропитания и при открытом затворе провести фоторегистрацию самосветящегося процесса горения газовой смеси.

Дополнительное условие качественной регистрации – время распространения фронта горения по наблюдаемому участку трубы (камеры) должно быть меньше периода вращения барабана фоторегистра.

4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Схема установки для проведения фотографической регистрации процесса распространения пламени в вертикальной камере при помощи метода фоторазвертки показана на рис. 4.6. Вертикальная камера горения со стеклянными окнами расположена в поле зрения объектива барабанного фоторегистра ФР-11, ось вращения которого должна быть строго параллельна щели, организованной из металлических пластин, закрепленных на одном окне камеры.

Камера соединена вакуумной системой с пультом управления, в который входят вакуумные вентили, вакууметр для измерения давления газа менее атмосферного, манометр для измерения давления газа выше атмосферного, тумблер для запуска фоторегистра и включения его затвора. Установка снабжена схемой искрового за-

51

жигания, в которую входят электроконденсатор, высоковольтный трансформатор и тумблер зажигания, расположенный около камеры горения.

6

Рис. 4.6. Схема установки для проведения фоторегистрации процесса распространения фронта пламени в вертикальной камере при помощи барабанного фоторегистра: 1 – барабанный фоторегистр ФР-11; 2 – фотопленка на барабане фоторегистра; 3 – пульт управления; 4 – крышка камеры сгорания; 5 – искровые электроды; 6 – метки на щели; 7 – камера сгорания

Горючая смесь заранее готовится в специальном смесительном баллоне и представляет смесь метана с воздухом в процентном отношении, близком к стехиометрии (1:10). Для откачки воздуха из камеры горения перед напуском горючей смеси установка снабжена форвакуумным насосом, управление которым осуществляется также с пульта (рис. 4.7).

Фотоматериалом при регистрации служит фотопленка типа «Аэрофото» сравнительно высокой чувствительности, так как метановоздушное пламя – низкотемпературное и, следовательно, слабосветящееся.

На щели перед каждым опытом размещаются непрозрачные метки-реперы (из полосок черной бумаги) на расстоянии 50 или 100 мм друг от друга для определения коэффициента уменьшения β и для идентификации регистрограмм от разных опытов на одной фотопленке.

52

Рис. 4.8. Электросхема установки вертикальной камеры сгорания: 1 – вертикальная камера сгорания; 2 и 9 – датчики давления; 3 – усилитель заряда; 4 – регистратор; 5 – синхронизация от антенны; 6 – синхронизация от делителя; 7 – источник питания; 8 – автомобильный индуктор (R1 = 1 мОм; R3 = 50 Ом; С = 1мкФ;

К– кнопка подрыва)

2.После проведения опытов при участии преподавателя проявить, промыть и отфиксировать фотопленку с регистрограммами, просушить ее. Самостоятельно, используя фотоувеличитель, просмотреть фоторегистрограммы при необходимом коэффициенте увеличения (удобнее, когда размеры при увеличении равны размерам на регистрируемом объекте – камере горения, для чего используются реперные метки и их изображения). Перерисовать изображения регистрограмм фронта пламени для трех вариантов регистрации в лабораторный журнал с сохранением их особенностей и масштаба. Обработать три регистрограммы для получения зависимости видимой скорости фронта пламени от пройденного расстояния от искрового промежутка.

54

4.4.2. Фоторегистрация при помощи цифровой кинокамеры

Покадровая съемка движения фронта пламени в камере сгорания при помощи цифровой камеры, например камеры V-500, с частотой кадрирования до 500 кадров в секунду проводится по специальной инструкции для камеры и программы регистрации.

На рис. 4.9 приведена прямая съемка процесса горения стехиометрической топливовоздушной смеси (ТВС) «пропан – воздух» в вертикальной закрытой камере. Хорошо заметны искривления фронта пламени, сопровождающие колебания, возникающие при горении.

Рис. 4.9. Кинограмма прямой съемки процесса горения в вертикальной закрытой камере. Зажигание сверху. Хорошо заметны искривления фронта пламени, сопровождающие колебания, возникающие при горении и свечение махе-эффекта

55

Рис. 4.10. Кинограмма съемки процесса горения в вертикальной открытой снизу камере, произведенная в теневом приборе. Дугообразная форма фронта горения в верхней половине камеры связана с неустойчивостью, возникающей при истечении продуктов горения. Зажигание снизу

На рис. 4.10 приведена съемка процесса горения в вертикальной открытой снизу камере, произведенная в теневом приборе. Дугообразная форма фронта горения в верхней половине камеры связана с неустойчивостью, возникающей при истечении продуктов горения ТВС «пропан – воздух».

ОТЧЕТ

Отчет о работе должен содержать:

1)фотопленку с регистрограммами;

2)рисунки с фоторазвертками для трех вариантов опытов в лабораторном журнале;

3)три графические зависимости видимой скорости фронта пламени от пройденного фронтом расстояния;

4)значения погрешности выполненных измерений скорости фронта пламени;

5)в случае возникновения вибрационного режима горения в опыте при открытой верхней крышке камеры определенные харак-

56

терную частоту вибраций фронта пламени и погрешность для этой величины;

6) оценочное значение величины un для исследуемой горючей смеси.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2.Щетинков Е.С. Физика горения газов. – М.: Наука, 1965.

57

РАБОТА 5

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ НОРМАЛЬНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ ПРИ ГОРЕНИИ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ

Цель: ознакомление с методом измерения нормальной скорости горения газообразных горючих смесей по индикаторной диаграмме давление-время и исследование зависимости нормальной скорости горения метановоздушной смеси от состава, начальной температуры и давления смеси.

5.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ НОРМАЛЬНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

5.1.1. Понятие нормальной скорости и методы ее изучения

Скорость движения фронта пламени относительно несгоревшего газа по направлению нормали к фронту называется нормальной скоростью распространения пламени.

Для экспериментального определения скорости нормального распространения пламени в газах может быть использовано несколько методов: определение скорости по конусу пламени на горелке Бунзена, по расходу газа в горелке плоского пламени, по результатам кино- и фоторегистрации пламени в трубке и сферического пламени в камере постоянного давления (метод «мыльного пузыря») и др.

Особое место среди перечисленных занимает метод определения нормальной скорости по изменению давления P(t) в сферической камере постоянного объема.

Достоинство этого метода заключается в том, что за один опыт со смесью заданного состава из анализа кривой P(t) можно определить не одно, а целую серию значений нормальных скоростей un, соответствующих различным значениям начальных температур T и давлений Р исходной смеси. Проведя аналогичные опыты со смесями другого состава и при других начальных температурах можно определить зависимости нормальной скорости от Р, Т и состава при различных фиксированных параметрах, характеризующих состояние исходной смеси.

58

При этом для определения указанных зависимостей по данному методу требуется минимальное число экспериментов по сравнению c другими методами исследования нормальной скорости горения газовых смесей.

5.1.2. Горение в замкнутом объеме

Рассмотрим (рис. 5.1) сферический сосуд радиусом R0, наполненный горючей смесью. При инициировании горения в центре сосуда, например с помощью искры, через некоторое время после инициирования внутри сосуда формируется фронт пламени, который распространяется от центра к периферии по сферическим поверхностям.

Рис. 5.1. Схема движения пламени

(R – радиус сосуда; r – текущий радиус фронта пламени)

Ввиду отсутствия прямого контакта продуктов сгорания, заключенных внутри сферы радиусом r, со стенками сосуда практически в течение всего времени сгорания кондуктивными потерями тепла из зоны продуктов сгорания можно пренебречь. Если предположить, что конвекция в газе отсутствует, а потери тепла нагретых продуктов сгорания путем излучения малы, то процесс распространения пламени можно считать адиабатическим.

59

Однако даже в этом сравнительно простом случае количественный анализ распространения пламени значительно усложняется изза нестационарности процесса горения, а также из-за диссоциации продуктов сгорания при высоких температурах горения. Расширяясь, нагретые продукты сгорания сжимают оставшуюся часть исходной смеси, в результате чего ее температура и давление непрерывно меняются.

Рассмотрим изменение давления во времени.

Будем рассматривать процесс сгорания смеси при следующих упрощающих предположениях: горючая смесь и продукты сгорания являются идеальными газами, диссоциация продуктов сгорания отсутствует.

Пусть (см. рис. 5.1) за время от t до t + dt сферический фронт пламени переместился на расстояние от r до r + dr. При этом в объ-

еме dν = 4πr 2 dr сгорела масса исходной смеси dm и превратилась в dn молей продуктов сгорания при давлении P и температуре Т ( dn = dm / µ, где µ – средний молекулярный вес продуктов сгора-

Интегрируя по всему объему камеры сгорания и учитывая, что для данного момента времени давление Р одинаково для всех dm, получим:

Аналогично, при увеличении объема продуктов сгорания на величину dν, которое соответствует увеличению dn молей продуктов сгорания, внутренняя энергия системы (при ν = const) возрастает на величину:

где сν – средняя теплоемкость продуктов сгорания. Интегрируя по всему объему, получим:

60