CC BY
27
УДК 536.46
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ЖИДКОСТИ В УЗКОМ КАНАЛЕ
Константин Дмитриевич Смирнов
Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, студент факультета естественных наук, тел. (383)333-22-96, e-mail: kostyanshepard@gmail.com
Валерий Владимирович Замащиков
Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2; Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-22-96, e-mail: albor@kinetics.nsc.ru
Евгений Анатольевич Чиннов
Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2; Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел.(383)316-51-37, e-mail: chinnov@itp.nsc.ru
Проведено экспериментальное исследование влияния преград разной формы на распространения пламени над поверхностью жидкости. Показано, что скорость распространение пламени существенно изменяется при прохождении преграды.
Ключевые слова: горение жидкости, распространение пламени, температура вспышки.
SOME FEATURES OF THE LIQUID BURNING IN A NARROW CHANNEL
Konstantin D. Smirnov
Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova Str., student of the Faculty of Natural Sciences, tel.(383)333-22-96, e-mail: kostyanshepard@gmail.com
Valery V. Zamashchikov
Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova Str.; Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS,630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya Str., D. Sc., Leading Researcher, tel. (383)333-22-96, e-mail: albor@kinetics.nsc.ru
Evgeniy A. Chinnov
Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova Str.; Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Chief Researcher, tel. (383)316-51-37, e-mail:chinnov@itp.nsc.ru
Experimental study of the effect of different forms of obstacles to the spread of flame over the surface of liquid have been conducted. The study made it apparent that the flame velocity substantially changes during the passage of obstacle.
Key words: combustion of liquid, flame propagation, flash temperature.
С точки зрения практического применения привлекательной является идея создания миниатюрных источников питания, использующих энергию, выделяющуюся при горении углеводородов. Однако горение не всегда возможно. Даже, если смешать топливо и окислитель в стехиометрическом соотношении, в условиях узкого канала пламя гаснет, то имеется ограничение по размеру установки. Настоящая работа посвящена изучению горению жидкого топлива в узком канале. В работах [1, 2, 3] показано, что в миниканалах при встречном потоке окислителя способно распространяться пламя над поверхностью горючей жидкости, температура которой ниже температуры вспышки, то есть жидкости, пары которой перемешиваясь с воздухом при нормальных условиях не горят. Это связано с тем, что при перемешивании с воздухом или кислородом образуется смесь, доля топлива в которой меньше, чем на нижнем концентрационном пределе. В связи с этим при распространении пламени над поверхностью такой жидкости определяющим является тепловая связь между волной горения и порождаемой ей тепловой волной в жидкости. В упомянутой выше работе [3] получены скорости распространения пламени, сравнимые, и даже больше скорости распространения пламени по стехиометрической предварительно перемешанной смеси паров жидкости с кислородом. Этот результат представляет научный интерес в связи с тем, что для распространения пламени над поверхностью жидкости, в отличие от предварительно перемешанной горючей смеси, необходимо ее нагреть в предпламенной области и, кроме того, необходимо, чтобы пары успели перемешаться с окислителем [3]. В связи с этим возникает вопрос о механизме распространения пламени. Согласно [4-6] ключевым моментом механизма распространения пламени является движение нагретой жидкости в предпламенную область за счет капиллярных сил, возникших из-за градиента температуры на поверхности жидкости. В настоящей работе были проведены экспериментальные исследования с целью прояснения механизма распространения пламени над поверхностью жидкости.
Экспериментальная установка показана на рис. 1. Эксперименты проводились в канале (1) шириной 4 мм и высотой 42 мм. На дно канала (2) наливался н-бутанол. С одного конца подавался воздух, обогащенный кислородом, с другого конца осуществлялся поджиг. Перед заливкой жидкости на дно помещался цилиндр диаметром 1 мм, либо параллелепипед квадратного сечения 1x1 мм (3). Для регистрации пламени была собрана оптическая схема, состоящая из линз (4), нити (10) и скоростной видеокамеры (5). Параллельный лазерный свет (9) проходил через исследуемую область (3) и собирался линзой на нити, за которой была установлена видеокамера. При прохождении пламенем исследуемой области часть света отклонялась из-за градиента показателя преломления и попадала в объектив видеокамеры. Смесь готовилась в специальном смесителе (7) по парциальным давлениям, перед подачей в канал она перемешивалась с помощью термостата (6). Расход смеси устанавливался и поддерживался постоянным с помощью Bronk Horst El-flow (8).
В работах [3, 4] при распространении пламени над поверхностью жидкости перед фронтом горения на поверхности наблюдалась волна. Измерения показали [4, 5], что волна имеет сложную структуру: в жидкости образуется тепловой вихрь, который эволюционирует со временем.
Рис. 1. Схема установки
На основании этих экспериментов был обоснован механизм распространения пламени, суть которого заключается в следующем [4-6]. Горячие продукты горения прогревают жидкость за фронтом горения. Перед фронтом температура свежей смеси существенно меньше температуры продуктов, поэтому в жидкости возникает градиент температуры, направленный в сторону продуктов горения. Так как коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры, а именно, для исследуемых жидкостей он уменьшается с ростом температуры, то возникает сила, направленная против градиента температуры. Благодаря этому происходит перенос нагретой жидкости в предпламенную область. Вследствие этого, возрастает поток паров жидкости в газовую фазу и становится возможным образование горючей смеси перед зоной химических превращений. Если сравнивать этот механизм с механизмом распространения пламени в предварительно перемешанной смеси, то необходимо отметить, что для реализации этого механизма распространения пламени над поверхностью жидкости требуется больше времени. В работе [3] сделаны оценки возможности распространения капиллярно-тепловой волны в жидкости при стационарном распространении пламени. Показано, что при скоростях пламени порядка 2 м/с процессы в жидкости могут не обеспечить такие скорости. В связи с этим возникает вопрос о механизме распространения пламени над поверхностью жидкости. Один из способов управлять процессами распространения волны в жидкой фазе - создать преграду для ее движения. Для этого в настоящей работе на дно канала устанавливались цилиндр или параллелепипед квадратного сечения. Уровень
жидкости вследствие этого изменялся вдоль ее поверхности. Распространение тепла в жидкой фазе различается при подходе к преграде и ее преодолении. Отметим, что поверхность жидкости не плоская не только из-за наличия преграды, но и из-за того, что вследствие соприкосновения со стенками канала она также искривляется. Так как канал достаточно узкий, то влияние этого возмущения может быть значительным.
Эксперименты показали, что влияние преграды на скорость распространения пламени зависело от уровня жидкости и содержания кислорода в окислительной смеси. Скорость изменяется заметно, когда уровень жидкости сравним с высотой преграды, и содержание кислорода в смеси уменьшается. Типичное изображение пламени, находящегося над круглой преградой, показано на рис. 2. Окислительная смесь, содержащая 60.5% 02 и 39.5% N2 (50% 02+а1г), подается с расходом 3 л/мин. Пламя, поднимаясь при подходе к препятствию, замедляется и ускоряется при его преодолении. На рис.3 приведена зависимость скорости пламени от координаты, и для наглядности показано месторасположение цилиндра. Иногда оно останавливается и после некоторой паузы снова начинает двигаться или гаснет. Цилиндр пламя преодолевало "легче", скорее всего это связано с тем, что у параллелепипеда острые края. Из-за наличия преграды уровень жидкости изменяется, поэтому угол между вектором скорости пламени и поверхностью "невозмущенной" жидкости сначала возрастает, а затем падает. При этом направление потока паров жидкости и окислителя к скорости пламени также изменяется. Это может оказывать влияние, как на перемешивание газов, так и на нагрев жидкости и газа. Причем это влияние разное при подходе к преграде и выходе пламени на невозмущенную поверхность. Действительно, опыты показали, что поведение пламени различается при входе на возмущенный участок и выходе из него. Однако есть еще один фактор, который оказывает влияние на пламя - это толщина жидкого слоя. Чувствительность скорости распространение пламени к толщине возрастает при уменьшении последней. Это связано с тем, что кроме теплового потока в боковые стенки канала, который слабо зависит от толщины пленки, существенную роль начинает играть тепловой поток в дно канала. В результате понижается температура жидкости, что приводит, с одной стороны, к увеличению теплопотерь из фронта горения, с другой стороны, что, по-видимому, более важно, к уменьшению потока паров жидкости. В конечном итоге наблюдается уменьшение скорости пламени, а замедление пламени приводит к еще большему возрастанию теплопотерь из фронта пламени. Таким образом эффект от уменьшения толщины пленки становится довольно сильным. В связи с этим, естественно связать замедление скорости с уменьшением толщины пленки. Остановка пламени именно над параллелепипедом, скорей всего, обусловлено наличием острого края. Благодаря этому в передпламеной области, вероятно, жидкой пленки нет. Для осуществления горения необходимо, чтобы перед зоной химических реакций была горючая смесь, так как пары топлива находятся за фронтом горения, то они должны каким-то образом транспортироваться в передпламеную область. При стабилизации продукты постепенно нагревает преграду и жидкость
в более отдаленной области за преградой. В конце концов это приводит к тому, что пламя начинает перемещаться вперед.
л
пламя
Рис. 2. Изображение пламени
Рис. 3. Зависимость скорости пламени от координаты
В настоящей работе показано, что возмущения поверхности горючей жидкости оказывает сильное влияние на распространение пламени. Скорость пламени уменьшается, достигает минимума, а затем снова возрастает. Уменьшение скорости, вероятно, связано с уменьшение толщины жидкой пленки.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (соглашение № 15-19-30038).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В.В. Замащиков, А.А. Коржавин, Е.А. Чиннов. Горение н-бутанола в плоском мини-канале//Теплофизика и аэромеханика. 2014, том 21, № 3. С.415- 418.
2. Замащиков, А.А. Коржавин, Е.А. Чиннов. Исследование горения жидкого топлива в прямоугольном канале/Физика горения и взрыва. 2014. - Т. 50, №4. С. 15-21.
3. V.V. Zamashchikov, A.A. Korzhavin, and E.A. Chinnov.Combustion of liquid fuelintheflatminichannelsнаправленавпечать.
4. Ross, H. D., and Miller, F. J. Detailed experiments of flame spread across deep butanol pools. Proc. Combust. Inst., 26 (1996) Р. 1327-1334.
5. Ross, H. D., and Miller, F. J. Flame spread across liquid pools with very low-speed opposed or concurrent airflow. Proc. Combust. Inst., 27 (1998) Р. 2723-2729.
6. Sirignano, W. A., and Glassman, I. Spreading above liquid fuels: surface-tension-driven flows. Combust. Sci. Technol., 1 (1970) Р. 307-312.
© К. Д. Смирнов, В. В. Замащиков, Е. А. Чиннов, 2016
