Турбулентное горение

Рассмотрим пламя, образующееся при истечении из отверстия однородной горючей смеси. При турбулентном горении перенос массы и теплоты происходит не только за счет молекулярного, но и молярного обмена, при котором происходит перемешивание элементарных объёмов, а не отдельных молекул. Наличие турбулентных пульсаций в пламени размывается пульсациями и его толщина значительно превышает толщину ламинарного фронта. Турбулентное пламя даже при стехиометрическом составе смеси имеют зону догорания.

Распространение турбулентного пламени по потоку характеризуется турбулентной скоростью горения . Это осредненная величина, которая соответствует “сглаженному’’ фронту пламени, проходящему по середине между внутренней и внешней границами реального фронта, определяемая тем же способом, что и нормальная скорость при ламинарном горении по формуле , где - площадь осреднённой поверхности пламени. Результаты экспериментальных работ показали, что зависит от состава смеси, амплитуды пульсаций скорости потока (степени турбулентности), температуры смеси и давления в зоне горения. При равных условиях на порядок превышает . Например, для бензино-воздушной смеси для смеси стехиометрического состава м/c при Т_см=373 К, а в турбулентном потоке при скорости течения 30 м/c, U_T,m 7 м/с, при 75 м/с, 13 м/с, при 115 м/с, 18 м/с.

Результаты экспериментальных работ по определению U_T могут быть аппроксимированы формулами

при малой и средней степени турбулентности потока смеси ,

где - средняя скорость течения, - среднее значение турбулентных пульсаций

При

Механизм турбулентного горения

При воспламенение и распространение пламени происходит также, как при ламинарном горении. С увеличением амплитуды пульсаций скорости возможен выброс отдельных объёмов смеси навстречу потоку, т.е. отрыв от основного фронта пламени и сгорание их самостоятельно. В основном фронте (средняя часть турбулентного пламени) происходит непрерывное горение, которое обеспечивает воспламенение отдельных объёмов по всему фронту.

Стабилизация пламени при больших скоростях потока

На практике процесс горения в потоке горючей смеси с высокой скоростью необходимо удерживать (фиксировать) в определенной области устройства, чтобы обеспечить непрерывность процесса. Один из наиболее применяемых способов - введение в поток плохообтекаемого тела. При обтекании этого тела образуется зона обратных токов - зона пониженного давления, куда из периферийных участков зоны горения поступают горячие продукты сгорания. Происходит перемешивание горячих газов с горючей смесью, её прогрев и воспламенение, тем самым обеспечивается непрерывное зажигание горючей смеси. В качестве стабилизаторов пламени используются пластины, стержни, конусы, уголки (V-образные стабилизаторы) и пр.

Размеры рециркулярной зоны зависят от скорости потока и размеров стабилизатора. В зоне обратных токов в соответствии с распределением скорости всегда найдутся точки, в которых U_T=U и где возможно удержание пламени. От этих точек пламя, расширяясь распространяется вдоль потока.

При горении в канале удержание пламени за стабилизатором происходит аналогичным образом. Вне области стабилизации за счет горения происходит расширение газа в осевом и радиальном направлениях. В конце области горения горячие сгоревшие газы имеют скорость, значительно превышающую скорость смеси. Градиент осевой скорости приводит к образованию вихревой зоны, в которой направление движения газа противоположно движению в рециркуляционной зоне за стабилизатором.