CC BY
24
УДК 621.762.212.001
ВЗАИМОДЕИСТВИЕ ЛАМИНАРНЫХ ПЛАМЕН МЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ С МЕЛКОЯЧЕИСТЫМИ ПЛОСКИМИ И СФЕРИЧЕСКИМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ В ЗАМКНУТОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ ПРИ ИНИЦИИРОВАНИИ ИСКРОВЫМ РАЗРЯДОМ
1РУБЦОВ Н.М., СЕПЛЯРСКИЙ Б.С., рНАБОКО ИМ., 1ЧЕРНЫШ В.И., 1 ЦВЕТКОВ Г.И., 3ТРОШИН К.Я.
1Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, 142432, Московская область, г. Черноголовка, ул. Институтская, д. 8 Объединенный Институт высоких температур РАН, 125412, г. Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2
Институт химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН, 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4
АННОТАЦИЯ. Показано, что инициированные искровым разрядом внутри мелкоячеистых (размер ячейки 0,1 - 0,2 мм2) сеточных сфер пламена разбавленных стехиометрических смесей природного газа с кислородом не проникают через ячейки, но всегда проникают через плоские ячеистые препятствия с тем же размером ячеек. При одновременном инициировании внутри и снаружи сеточной сферы вне сеточной сферы возникает вторичный фронт пламени, который распространяется по всему реакционному объему, что указывает на существование двух стадий кинетического механизма сгорания природного газа.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: распространение, пламя, сетка, акустический, нестабильность, скоростная киносъемка.
ВВЕДЕНИЕ
Влияние препятствий, расположенных в объемах, заполненных горючей смесью, на распространение фронта пламени (ФП), исследуется в течение долгого времени [1, 2]. Известно, что, если состав газовой смеси далек от пределов воспламенения, скорость ФП в присутствии препятствий может достигнуть сверхзвуковых значений [3, 4]. Самым актуальным аспектом в исследовании ускоряющихся пламен является решение проблем взрывобезопасности [5]. Влияние препятствий, согласно [1], имеет двоякий характер: развитие и поддержание детонационной волны и подавление детонационной волны в результате тепловых потерь на препятствии. Сказанное можно отнести и к начальной стадии распространения пламени [6]. Взаимодействие ФП с препятствиями вызывает развитие неустойчивости ФП и его ускорение. Однако, контакт ФП с поверхностью препятствия приводит к увеличению вклада гетерогенных реакций, в особенности реакций обрыва цепей [7], что приводит к подавлению горения. Эти противоположные факторы были исследованы в [8]. Было показано, что инициированные искровым разрядом пламена бедных водородо-воздушных смесей проникают через алюминиевые сеточные сферы с размером ячеек 0,04 - 0,1 мм ; пламя 15% Н2 в воздухе после прохождения препятствия ускоряется, при этом в реакторе возбуждаются акустические колебания; чем меньше диаметр сеточной сферы, тем раньше возбуждаются акустические колебания. Однако, ФП стехиометрической смеси природного газа (111 ) с воздухом после препятствия не ускоряется, акустические колебания не возбуждаются. На основании этих данных в [8] был сделан вывод, что активные центры горения метана и водорода, определяющие распространение пламени, имеют различную химическую природу.
Таким образом, как показано в [8], обрыв цепей вносит основной вклад при взаимодействии ФП с препятствиями в случае смесей П1 -воздух. Поэтому с практической точки зрения представляет интерес изучить горение П1 в более крупном реакторе в присутствии сеточных препятствий различной формы и при различных условиях инициирования пламени с целью установить, в какой степени сеточные препятствия эффективны для подавления горения метана.
Целью работы является установление закономерностей распространения пламени в разбавленных стехиометрических смесях природного газа с кислородом в замкнутом цилиндрическом реакторе через мелкоячеистые сферические и плоские препятствия при различных условиях инициирования искровым разрядом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводили с разбавленными стехиометрическими смесями ПГ с кислородом, CO2 и Кг при начальных давлениях в диапазоне 100-200 Торр и 298 К в откачиваемом горизонтальном цилиндрическом кварцевом реакторе длиной 70 см и диаметром 14 см. Реактор был вакуумно плотно зафиксирован в двух шлюзах из нержавеющей стали (рис. 1), снабженных отверстиями для откачки и напуска газов и герметичной дверцей, которая открывалась, когда общее давление в реакторе превышало 1 атм.
1 - цилиндрический кварцевый реактор; 2 - шлюз из нержавеющей стали;
3 - прокладка из витона; 4 - дверца; 5 - электроды и сеточная сфера ё = 13 см;
6 - источник питания разряда; 7 - скоростная камера; 8 - микрофон
Рис. 1. Экспериментальная установка
Две пары электродов искрового воспламенения были расположены у противоположных торцов реактора; обе пары электродов были подключены последовательно, чтобы обеспечить два одновременных искровых разряда. Каждая пара могла быть закорочена, чтобы обеспечить один разряд. Сеточную сферу при необходимости закрепляли на левой паре электродов, как показано на рис. 1. Таким образом объем, включенный в сеточную сферу и внешний объем реактора контактировали только через ячейки сетки. Сетки были выполнены из алюминиевой проволоки. Использовались сферы диаметром ё = 8 см (диаметр проволоки 0,3 мм, размер ячейки 0,1 мм ), ё = 10 см (диаметр проволоки 0,35 мм, размер ячейки 0,15 мм2), ё = 13 см (диаметр проволоки 0,5 мм, размер ячейки 0,25 мм ). Как известно, поверхность алюминия всегда покрыта оксидом. Следовательно, поверхность сетки представляла собой оксид алюминия А1203, который эффективно обрывает реакционные цепи [6, 8]. В другой серии экспериментов в реактор на 1/4 или 1/2 его длины помещали плоское сеточное препятствие (ё = 14 см, диаметр проволоки 0,3 мм, размер ячейки 0,1 мм , диаметр проволоки 0,5 мм, размер ячейки 0,25 мм2).
Горючие смеси (15,4 % ПГ + 30,8 % O2 + 46 % CO2 + 7,8 % Kr) составляли предварительно. Инертный разбавитель CO2 добавляли из соображений безопасности, Кг добавляли для уменьшения пороговой мощности разряда. Эксперименты проводили следующим образом. Реактор заполняли горючей смесью до нужного давления и проводили инициирование искровым разрядом (энергия разряда на каждой паре электродов составляла 1,5 Дж). Запись динамики воспламенения и распространения ФП осуществляли сбоку (рис. 1) цветной высокоскоростной цифровой камерой Casio Exilim F1 Pro (частота кадров -60 - 1200 с-1) [9, 10]. Съемку включали в произвольный момент перед инициированием. Видеофайл сохраняли в памяти компьютера.
Изменение давления в ходе горения регистрировали с помощью пьезоэлектрического датчика, синхронизированного с искровым разрядом. Акустические колебания регистрировали чувствительным микрофоном "Ritmix" (диапазон частот до 40 кГц). Аудиозапись включали в произвольный момент перед инициированием. В ходе опыта минимизировали уровень посторонних шумов. Аудио файл анализировали с помощью пакета программ "Spectra Plus 5.0".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Во всех экспериментах пламя, инициированное внутри сеточных сфер, не проникало через ячейки алюминиевой сетки (рис. 2, а) в согласии с результатами [8]. Как показано в [8], у внутренней поверхности сеточной сферы ФП практически останавливается при атмосферном давлении. Как видно из рис. 2, а, при давлении ниже атмосферного горение наблюдается только внутри сферы в течение нескольких секунд за счёт диффузии непрореагировавшей смеси в сферу. Остановка пламени ПГ-воздух у внутренней поверхности сеточной сферы не объясняется на основе только тепловой теории [6]. Можно предположить, что это явление связано с интенсивной гетерогенной гибелью активных промежуточных продуктов горения на поверхности Al2O3. При этом устойчивые промежуточные продукты горения (например, гидропероксиды), проникающие через ячейки алюминиевой сетки, могут снова инициировать распространение пламени вне сферы, если горючая смесь за пределами сферы предварительно подготовлена, например, нагрета. Это согласуется с результатами [11], где показано, что ФП в смеси углеводород-воздух в нагретом цилиндрическом реакторе всегда желтого цвета ("горячее" пламя, рис. 1, б [11]), хотя ФП при начальной комнатной температуре в той же самой смеси и в том же самом реакторе синего цвета ("холодное" пламя, рис. 1, а, б [9]). Отметим, что голубой цвет пламени обусловлен излучением радикалов СН (431 нм) и СН2О (470 нм), желтый цвет горячего пламени вызван излучением возбуждённых атомов Na12.
В этой работе осуществляли два одновременных разряда, первый внутри сетчатой сферы, второй за пределами сферы (рис. 2, б). Как видно из рис. 2, б после инициирования ФП внешним искровым разрядом ФП распространяется справа налево и достигает сферы (кадры 9 - 61), затем возникает вторичный ФП желтого цвета и распространяется слева направо (кадры 64 - 80). Укажем, что горение внутри сферы (справа, рис. 2, а) также имеет место, однако видеокамера недостаточно чувствительна, чтобы зарегистрировать медленное горение в сфере из-за высокой скорости съемки (600 кадров/с). Это означает, что степень превращения в голубом ФП (кадры 9 - 61, рис. 2, б), распространяющемся влево, неполная, и активные продукты горения ПГ в сеточной сфере могут инициировать распространение вторичного ФП в противоположном направлении по не полностью прореагировавшей смеси, нагретой голубым ФП (кадры 64 - 80, рис. 2, б).
а)
б
ш.
ЕЕ ЕЗЗ
£ ЕВ Г 1 гп
1 Мг к
ЕЗ ш
в)
г)
Рис. 2. Высокоскоростная съемка распространения ФП в газовой смеси при начальном давлении 160 Торр. Цифра на кадре соответствует порядковому номеру кадра после инициирования:
а) - в сеточной сфере й = 13 см, искровой разряд в сфере (1,5 Дж), 60 кадров/с;
б) - в кварцевом реакторе в присутствии сеточной сферы й = 13 см, два искровых разряда у противоположных
торцов реактора (1,5 Дж), как показано на рис. 1, 600 кадров/с;
в) - в кварцевом реакторе в присутствии плоского сеточного препятствия (диаметр проволоки 0,5 мм, размер ячейки 0,25 мм2) расположенного на 1/4 длины реактора, один разряд у левого торца (1,5 Дж) слева, 600 кадров/с;
г) - в кварцевом реакторе в присутствии плоского сеточного препятствия (диаметр проволоки 0,5 мм, размер ячейки 0,25 мм2) расположенного на 1/2 длины реактора, один разряд у левого торца (1,5 Дж) слева, 600 кадров/с
На рис. 3 представлена последовательность видеоизображений при скоростной съёмке распространения пламени горючей смеси справа налево при инициировании у правого торца реактора. В левом торце реактора находится заглушка с отверстием диаметром 5 мм, отсекающая реактор от паразитного объема, составляющего 1/40 часть от объема реактора.
Рис. 3. Высокоскоростная съемка распространения ФП в газовой смеси при начальном давлении 160 Торр при инициировании (1,5 Дж) у правого торца реактора.
Цифра на кадре соответствует порядковому номеру кадра после инициирования, 600 кадров/с
Из рис. 3 видно, что голубой фронт горения проходит весь реактор, затем "выдавливает" непрореагировавшую горючую смесь из паразитного объема в реактор. Эта смесь воспламеняется в нагретом газе и наблюдается пробег желтого фронта пламени в обратную сторону. Очевидно, что газа, содержащегося в паразитном объеме, не будет достаточно для распространения фронта горения в обратном направлении по всей длине реактора. Таким образом и в этом случае наблюдается распространение вторичного ФП в противоположном направлении по не полностью прореагировавшей смеси, нагретой голубым ФП и инициированной воспламенением небольшого количества исходной смеси, находившейся в паразитном объеме реактора.
Сказанное выше позволяет предположить, что неполнота превращения метана во время распространения пламени от одного источника инициирования может играть определенную роль при возникновении так называемого эффекта Махе, который, как известно [12, 13], снижает давление воспламенения по сравнению с таковым для однородного температурного распределения, поскольку газовые объемы сгорают при различных начальных условиях [6], а также при переходе горения в детонацию.
Было показано, что в наших условиях ФП в разбавленной стехиометрической смеси ПГ с кислородом никогда не проникает через сеточные сферы, но всегда проникает через плоские сеточные препятствия (рис. 2, в), хотя, как видно из рис. 2, в (кадры 23 - 28) скорость ФП около простого препятствия значительно уменьшается. Можно предположить, что ФП должен взаимодействовать со всей поверхностью препятствия одновременно, то есть кривизна ФП должна соответствовать кривизне препятствия для эффективного торможения пламени. Однако, как видно из рис. 2, г, фактически плоский ФП, сформировавшийся в середине реактора, также проникает через плоское препятствие. Таким образом, наблюдаемое влияние формы препятствия связано со структурой потоков, возникающих при распространении первоначально сферического ФП в цилиндре. Установление природы этого явления требует дальнейших исследований.
Как видно из рис. 2, а, б, особенности распространения пламени при единственном инициировании и одновременном двойном инициировании у противоположных торцов реактора заметно отличаются. Это означает, что изучение распространения пламён, вызванных двумя или больше инициирующими импульсами, представляет интерес для решения проблем взрывобезопасности, когда существует несколько источников возгорания.
В связи со сказанным дальнейшая часть данной работы посвящена установлению особенностей распространения встречных пламен при одновременном инициировании у противоположных торцов реактора, в частности, исследованию возбуждения акустических колебаний за счет ускорения пламени во время горения. Результаты скоростной съемки распространения ФП в газовой смеси, инициированной как двумя одновременными разрядами, так и единственным разрядом, при начальном давлении 160 Торр в кварцевом реакторе в присутствии плоского сеточного препятствия, помещенного на 1/4 длины реактора, представлены на рис. 4, а и рис. 2, в, соответственно.
Рис. 4. а) - Высокоскоростная съемка распространения ФП в газовой смеси при начальном давлении 160 Торр в присутствии плоского сеточного препятствия, расположенного на 1/4 длины реактора, два искровых разряда у противоположных торцов реактора (1,5 Дж), 600 кадров/с. Цифра на кадре соответствует порядковому номеру кадра после инициирования. б) - акустические колебания. Приведено несколько соответствующих кадров видеосъемки из рис. 3, а; в - осциллограмма изменения давления, г) - растянутая временная шкала
Из рисунков видно, что ФП проникает через плоское препятствие и в присутствии встречного пламени. Зависимости изменения общего давления от времени при распространении пламени в указанных условиях приведены на рис. 4, в и рис. 5, б, соответственно. Как видно из рис. 4, в и рис. 5, б изменение общего давления (пропорциональное саморазогреву [6]) при инициировании двумя источниками почти в три раза больше, чем при инициировании одним источником. Кроме того, распространение встречных пламен (рис. 4) сопровождается характерным резким звуком, в этом случае дверца открывается и регистрируются акустические колебания газа рис. 4, б, в. Отметим, что распространение пламени при инициировании с одного торца не сопровождается сколько-нибудь заметным звуковым эффектом, дверца не открывается, наблюдаются только слабые колебания, непосредственно относящиеся к распространению пламени (рис. 5, б). На рис. 4, в и рис. 5, б представлены зависимости амплитуды акустических колебаний от времени при распространении пламени, при условиях одновременного инициирования у противоположных торцов реактора и единственного инициирования, соответственно. Как видно, акустические колебания (~ 1500 Гц, рис. 4, б, г) в 10 раз более интенсивны в случае инициирования двумя источниками и наблюдаются раньше, чем открывается дверца (метка времени 38,9 с на рис. 4, б). После открытия дверцы регистрируются характеристические колебания цилиндра с одним открытым концом (141 Гц, 281 Гц; расчетные, согласно уравнениям (8) - (11) из [14], значения характеристических частот колебаний для нашего реактора, разделенного плоским препятствием на 1/4 его длины с одним открытым концом, составляют 145 Гц и 285 Гц).
а)
б)
Рис. 5. а) - Акустические колебания при распространении ФП в газовой смеси при начальном давлении 160 Торр в присутствии плоского сеточного препятствия, расположенного на 1/4 длины реактора, один искровой разряд у левого торца реактора (1,5 Дж) (см. рис. 2, в). Приведено несколько соответствующих кадров видеосъемки из рис. 2, в; б) - осциллограмма изменения давления
Полученные результаты непосредственно означают, что распространение встречных пламен, вызванных одновременным инициированием с противоположных торцов в цилиндрическом реакторе, происходит с большим саморазогревом и более интенсивными акустическими колебаниями по сравнению с распространением пламени из единственного источника инициирования.
Резюмируем коротко полученные результаты.
Показано, что инициированные искровым разрядом в мелкоячеистых алюминиевых сферических препятствиях с размером ячейки 0,1 - 0,2 мм2 не проникают через сферу, но всегда проникают через плоские препятствия с тем же размером ячеек.
Двойное одновременное инициирование (в сетчатой сфере и вне её) приводит к распространению вторичного фронта пламени, распространяющегося по всему реакционному объему. Это указывает на существование двух стадий кинетического механизма сгорания природного газа. Первая стадия соответствует распространению "холодного" голубого фронта неполного химического превращения; вторая стадия связана с быстрым химическим превращением продуктов неполного окисления природного газа. Установлено, что особенности распространения пламени при одновременном инициировании от обоих торцов реактора заметно отличаются от особенностей распространения пламени при инициировании одним источником. Это обусловливает важность установления закономерностей распространения фронтов пламени, инициированными двумя или более источниками зажигания для решения проблем взрывобезопасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Teodorczyk A., Lee J.H.S., Knystautas R. The Structure of Fast Turbulent Flames in Very Rough, Obstacle-Filled Channels // Twenty-Third Symposium (Int.) on Combustion, The Combustion Institute, 1990. Р. 735-741.
2. Горев В. А., Мирошников С.Н. Ускоряющееся горение в газовых объемах // Химическая физика. 1982. № 6. С. 854-858.
3. Moen I.O., Donato М., Knystautas R., Lee J.H. and Wagner H.G.: Turbulent Flame Prop-agation and Acceleration in the Presence of Obstacles // Gasdynamics of Detonations and Explosions. Progress in Astronautics and Aeronautics. 1981. № 75. Р. 33-47.
4. Wagner H.G. Some Experiments about Flame Acceleration // Proc. International Conference on Fuel-Air Explosions. SM Study 16. Montreal : University of Waterloo Press, 1981. Р. 77-99.
5. Николаев Ю.А., Топчиян M.E. Расчет равновесных течений в детонационных волнах в газах // Физика горения и взрыва. 1977. Т. 13, № 3. С. 393-404.
6. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.А., Махвиладзе Д.В., Либрович А.Б. Математическая теория распространения пламени. М. : Изд-во АН СССР, 1980. 620 с.
7. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М. : Изд-во АН СССР, 1960. 470 с.
8. Набоко И.М., Рубцов Н.М., Сеплярский Б.С., Черныш В.И., Цветков Г.И. Взаимодействие сферических пламен водородо-воздушных и метано-воздушных смесей с мелкоячеистыми препятствиями при центральном инициировании горения искровым разрядом // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2012. Т. 13, № 1. С. 1-12.
9. Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S., Chernysh V.I., Tsvetkov G.I., Troshin K.Y. Initiation and Propagation of Laminar Spherical Flames at Atmospheric Pressure // Mendeleev Communications. 2011. V. 21, № 4. Р. 218-220.
10. Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S., Chernysh V.I., Tsvetkov G.I., Troshin K.Y. Investigation into Spontaneous Ignition of Hydrogen-Air Mixtures in a Heated Reactor at Atmospheric Pressure by High-Speed Cinematography // Mendeleev Communications. 2012. V. 22, № 4. С. 222-224.
11. Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S., Tsvetkov G.I., Chernysh V.I., Troshin K.Y. High-Speed Colour Cinematography of the Spontaneous Ignition of Propane-Air and N-Pentane-Air Mixtures // Mendeleev Communications. 2011. V. 21, № 1. С. 31-33.
12. Lewis B., Von Elbe G. Combustion, Explosions and Flame in Gases. New York, London : Acad. Press, 1987. 556 р.
13. Flamm L., Mache H. Combustion of an explosive gas mixture within a closed vessel. Wien : Ber. Akad.,Wiss., 1917. Bd. 126. S. 9-44.
14. Kovacs J.S. Standing waves / P. Signell for Project PHYSNET, Physics-Astronomy Bldg., Michigan State University, E. Lansing, 2002, 28 p. URL: http://www.physnet.org/modules/pdf_modules/m232.pdf (дата обращения 18.11.2014).
INTERACTION OF THE LAMINAR FLAMES OF METHANE-AIR MIXTURES WITH CLOSE-MESHED SPHERICAL AND PLANAR OBSTACLES IN A CLOSED CYLINDRICAL REACTOR UNDER SPARK DISCHARGE INITIATION
1Rubtsov N.M., 1Seplyarsky B.S., 2Naboko I.M., 1Chernysh V.I., 1Tsvetkov G.I., 3Troshin K.J.
institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences, Moscow Region, Chernogolovka, Russia
Joint Institute of High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 3N.N. Semenov Institute of Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
SUMMARY. The spark initiated flames of dilute stoichiometric natural gas-oxygen mixtures in close-meshed aluminum spheres with a mesh size of 0.1-0.2 mm2 do not propagate through the spheres but always propagate through planar meshed obstacles of the same mesh size. It is found that the features of flame propagation under simultaneous initiation at the opposite butt-ends of a cylindrical reactor differ markedly from those under initiation from a single discharge.
КEYWORDS: development, mesh, acoustic, instability, high speed cinematography.
Рубцов Николай Михайлович, доктор химических наук, главный научный сотрудник ИСМАН, тел. (495)485-99-09, e-mail: [email protected]
Сеплярский Борис Семенович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИСМАН, e-mail: [email protected]
Набоко Идея Михайловна,
доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ОИВТ РАН, Черныш Виктор Иосифович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИСМАН Цветков Георгий Игоревич, инженер ИСМАН
Трошин Кирилл Яковлевич, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИХФ им. Н.Н.Семенова
