CC BY
14
УДК 536.46
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ НАД ПЛЕНКОЙ ЖИДКОГО ТОПЛИВА НА ПОДЛОЖКЕ С НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТЬЮ
Игорь Геннадьевич Намятов
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории физики и химии горения газов, тел. (383)333-22-96, e-mail: ign@kinetics.nsc.ru
Алексей Анатольевич Коржавин
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор технических наук, зав. лаборатории физики и химии горения газов, тел. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Александр Васильевич Вьюн
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики
Экспериментально изучалось распространение пламени над пленкой жидкого топлива, нанесенного на подложку с низкой температуропроводностью. Цель исследования заключалась в определении основного механизма переноса тепла в процессе распространения пламени. Скорость распространения пламени над пленкой спиртов (бутанол-1, бутанол-2), нанесенных на подложку из полиэтилентерефталата (толщиной 50 мкм) составляет 2-3 см/с. По экспериментальным данным проведена оценка тепловых потоков в предпламенную зону за счет различных механизмов. Показано, что большая часть тепла передается в результате движения жидкости, вызванного градиентом сил поверхностного натяжения, вследствие градиента температуры в системе жидкое топливо - подложка.
Ключевые слова: горение, тонкие пленки, жидкое топливо.
FLAME SPREADING OVER LIQUID FUEL FILM DEPOSITED ON THE SUBSTRATE WITH LOW TEMPERATURE DIFFUSIVITY
Igor G. Namyatov
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya str., Ph. D., tel. (383)333-22-96, e-mail: ign@kinetics.nsc.ru
Alexei A. Korzhavin
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya str., D. Sc., head of Laboratory of gas combustion chemistry and physics, tel. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Alexandr V. V'yun
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D.
Flame spreading over liquid fuel film deposited on the substrate with low temperature diffu-sivity was studied experimentally. The goal of this study was to find the main heat transfer mechanism in the process of flame spreading. Velocity of flame spreading over the films of alcohols (1-butanol, 2-butanol) deposited on the polyethyleneterephthalate substrate (50 mkm thickness) is 2-3 cm/s. Using experimental data the estimation of heat transfer rate in preflame zone due to various mechanisms was made. It is shown that the most of heat energy is transferred due to the liquid motion. The liquid motion is caused by gradient of surface tension forces owing to temperature gradient in the system of liquid fuel-substrate.
Key words: combustion, thin films, liquid fuel.
Распространение пламени над поверхностью горючего вещества - довольно сложное явление, так как в нем взаимосвязано много химико-физических процессов, таких как теплопроводность, диффузия, испарение, пиролиз, движение газа и жидкости, химическая кинетика и др. В предыдущих работах [1-3] была предложена система жидкое топливо на тонкой металлической подложке. Было показано, что эта система является термически тонкой, что позволяет упростить физико-математическую модель процесса. В результате экспериментальных исследований и расчетов было показано, что основным механизмом распространения пламени является передача тепловой энергии за счет теплопроводности подложки.
В данной работе объектом исследования является процесс распространения пламени над поверхностью жидкого топлива, нанесенной на подложку с низкой температуропроводностью. Использовалась следующая постановка эксперимента. На полосу подложки наносилась пленка топлива, и инициировалось пламя открытым огнем. Схема эксперимента показана на рис. 1. В качестве подложки использовалась полоса полиэтилентерефталата (лавсана), шириной 10 см и длиной 50 - 100 см, толщиной 50 мкм. Топливо - спирты: бутанол, 2-бутанол. Подложка ориентировалась в пространстве вертикально, горизонтально или под некоторым углом к вектору силы тяжести. В результате распространения пламени на вертикальной подложке сверху вниз полиэтилентерефталат плавился и горел. Потому топливо наносилось не по всей ширине подложки, а полосой шириной 5 - 6 см, края шириной 2,5 - 2 см оставались сухие и не плавились, тем самым поддерживая подложку в пространстве. Характерная скорость распространения пламени при комнатной температуре около 2 - 3 см/с.
Целью исследования ставилось изучить механизмы распространения пламени и построение физической и математической модели явления. Необходимым условием распространения пламени является передача необходимого количества тепла из горячей зоны в предпламенную зону, чтобы подогреть топливо и создать смесь паров топлива и воздуха достаточную для горения. В системе отсчета, связанной с пламенем, можно записать уравнение для средней температуры (T) конденсированной фазы (пленки жидкости и подложки):
X
Рис. 1. Схема распространения пламени: 1 - подложка, 2 - пленка топлива, 3 - фронт пламени
dT _^2Т _ СуРуНу атИ/ dT2 | _т)=()
dx dx2 с5р5Н5 + СуРуНу 2^ dx2 Ь 0 '
где u - скорость движения пламени, к - эффективная температуропроводность конденсированной фазы, ТЬ ТО - температура пламени и окружающей среды, x - координата в плоскости подложки по направлению движения пламени, с, р, h - теплоемкость, плотность и толщина, подстрочные символы s и f относятся к
подложке и пленке жидкого топлива, w =-, а - коэффициент теплообмена. За передачу тепла в предпламенной зоне отвечает теплопровод-
d 2Т
ность по конденсированной фазе к—— и движение жидкости за счет измене-
dx
СгРуНг <зТИг
ния силы поверхностного натяжения
С8Р*К + С/Р/Н/
^ dx1 у
В условиях
градиента температуры жидкость за счет сил поверхностного натяжения течет из зоны с высокой температурой в более холодную зону, перенося тем самым тепловую энергию.
Проводилась серия экспериментов с целью измерения температуры подложки. Измерения проводились термопарой медь-константан, расположенной с обратной стороны подложки, чтобы не создавать препятствий для движения жидкости. Характерный вид температуры при прохождении пламени показан на рис. 2 (линия 1). В этом случае использовалось топливо буталол-2, скорость
пламени составляла 2,1 см/с, ориентация подожки вертикальная, движение пламени сверху вниз. Вследствие того, что температуропроводность полиэти-лентерефталата низкая, температура по толщине подложки неодинаковая. Чтобы узнать температуру поверхности подложки со стороны пламени необходимо оценить распределение
х (см)
Рис. 2. Распределение температуры на поверхности подложки: 1 - с обратной стороны пламени (эксперимент), 2 - со стороны пламени (расчет)
температуры по толщине. В системе отсчета связанной с пламенем уравнение теплопроводности в твердой фазе выглядит следующим образом:
д 2Т - = О,
дТ д 2Т
- к«-
дх у
дх
2 -kS
ду
где к3 - температуропроводность подложки, у - координата, нормальная к поверхности подложки. Решение:
"•у
Т(х,у)-Т0 = СеР и*
ностях подложки отличается на множитель
е
Таким образом, отклонение температуры от начальной на разных поверх-
те Т(у = ^)-Т0 = еЛ
. . Т (у = 0)-То ■
Коэффициент р можно найти на основе экспериментальных данных по температуре с обратной стороны подложки. На рис. 2 (линия 2) показано скорректированное таким образом распределение температуры поверхности подложки со стороны пламени.
В уравнении (1) коэффициент
аТИх ( с1Тл
^ J
2ц
- средняя скорость движения
жидкости. На поверхности жидкости скорость равна
аТИ/ (с1Тл ц 1 dx
. По оценкам
из экспериментальных данных передача тепла за счет движения жидкости на порядок больше, чем за счет теплопроводности по конденсированной фазе. Те-плопотери в окружающую среду перед фронтом пламени также малы, вследствие малой разности температур. Если пренебречь теплопроводностью и тепло-потерями в окружающую среду в предпламенной зоне, то уравнение для температуры перед фронтом пламени на поверхности жидкости будет иметь вид:
dT втН/ dT2 и — -- - = 0.
^ ^ dx2
Отсюда следует, что непосредственно перед фронтом пламени скорость движения жидкого топлива на поверхности равна скорости распространения пламени. По оценкам толщина пленки топлива hf в этой точке равна 15 - 20
dT
мкм, а градиент температуры — около 300 К/см. При таком градиенте зона
dx
прогрева жидкости, в которой должно быть активное течение за счет поверхностного натяжения, должна быть короткой, порядка миллиметра.
Были поставлены следующие эксперименты. В жидкое топливо добавлялся флюоресцентный краситель, пленка жидкости подсвечивалась пучком света с длиной волны, соответствующей поглощению этого красителя. Увеличение флюоресценции соответствовало увеличению толщины пленки жидкости, за счет интенсивного движения жидкости. Эта зона наблюдалась непосредственно под передним краем пламени, и ее ширина составляла 1 - 1,5 мм.
На основе экспериментальных измерений температуры (рис.2) показано, что градиент температуры на поверхности подложки составляет 100-150 К/см. На поверхности пленки жидкости температура и ее градиент должен быть больше, необходимы дальнейшие исследования по расчетам температуры, скорости движения и толщины пленки жидкости в зоне переднего фронта пламени.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Поведение пламен, распространяющихся по пленкам жидкости на металлических подложках / А. А. Коржавин, В. А. Бунев, Д. М. Гордиенко, В. С. Бабкин // Физика горения и взрыва. - 1998. - Т. 34, № 3. - С. 15-18.
2. Распространение пламени над пленкой жидкого топлива на металлических подложках / А. А. Коржавин, В. А. Бунев, И. Г. Намятов, В. С. Бабкин // Физика горения и взрыва. -2000. - Т. 36, № 3. - С. 25-30.
3. Диффузионное горение пленки жидкого топлива на металлической подложке / И. Г. Намятов, С. С. Минаев, В. С. Бабкин, В. А. Бунев, А. А. Коржавин // Физика горения и взрыва. - 2000. - Т. 36, № 5. - С. 12-21.
© И. Г. Намятов, А. А. Коржавин, А. В. Вьюн, 2016
