CC BY
35
УДК 621.762.212.001
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАМЕН ВОДОРОДО-ВОЗДУШНЫХ
И МЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ С МЕЛКОЯЧЕИСТЫМИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ ПРИ ИНИЦИИРОВАНИИ ИСКРОВЫМ РАЗРЯДОМ
НАБОКО ИМ., *РУБЦОВ Н.М., *СЕПЛЯРСКИЙ Б.С., *ЧЕРНЫШ В.И., *ЦВЕТКОВ Г.И.
Объединенный Институт высоких температур РАН, 125412, г. Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2 *Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, 142432, Московская область, г. Черноголовка, ул. Институтская, д. 8
АННОТАЦИЯ. Показано, что инициированные искровым разрядом пламена бедных смесей водорода (8%-15% Н2 в воздухе) проходят через сеточные сферы с размером ячеек 0,04-0,1 мм2. Установлено, что пламя смеси 15% Н2 в воздухе после прохождения препятствия ускоряется и при достижении стенок реактора сопровождается возникновением потоков светящегося газа из объема, ограниченного сеткой. При распространении пламени в смесях свыше 10 % Н2 с воздухом в присутствии сеточной сферы возникают акустические колебания газа тем раньше, чем меньше диаметр сферы. Горение стехиометрической смеси метана с воздухом для всех использованных в данной работе сетчатых сфер не сопровождается акустическими колебаниями и охватывает весь объем реактора. Полученные данные указывают на то, что активные центры горения метана и водорода, влияющие на распространение пламени, имеют разную химическую природу.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: распространение, пламя, сетка, акустический, нестабильность, скоростная киносъемка. ВВЕДЕНИЕ
Влияние препятствий, находящихся в разных объемах, заполненных реакционно-способной смесью, на распространение фронта пламени исследуется давно. Эти исследования проводятся с целью выяснения зависимости характера горения от вида препятствий и возможности воздействовать на интенсивность горения при варьировании геометрии преграды. Известно, что если горючая смесь находится в достаточном отдалении от концентрационных пределов воспламенения, то скорость распространения пламени при наличии препятствий может быстро возрасти до сверхзвуковых значений [1,2]. При изучении быстро ускоряющихся пламен можно наблюдать переход дефлаграционного горения в детонационно-подобное, при котором, однако, скорость сверхзвуковой волны горения в присутствии препятствий существенно ниже скорости Чепмена-Жуге [3,4]. Поэтому с практической точки зрения наиболее важный аспект в изучении ускоряющихся пламен обусловлен проблемами взрывобезопасности и связан в основном с переходом быстрого горения в нестационарное (детонационно - подобное), разрушительное воздействие которого эффективнее установившейся волны Чепмена-Жуге [5]. Следует отметить, что воздействие препятствий, согласно [1], может проявляться как в поддержании волны детонации в результате отражений ударных волн, так и в гашении и рассеивании детонационной волны в результате отнятия тепла и количества движения.
Сказанное можно отнести и к начальной стадии ускорения пламени, а именно к тому моменту, когда ламинарное пламя встречается с препятствием в виде сетки, что является предметом настоящего исследования. При этом происходит развитие неустойчивости пламени, что способствует его ускорению [6]. С другой стороны, при контакте пламени с поверхностью следует ожидать возрастания вклада гетерогенных реакций, в частности, обрыва реакционных цепей [7], что должно способствовать замедлению и потуханию пламени. Такой двоякий механизм действия препятствий обуславливает то, что физические методы подавления детонации (сетки, сопла и т.д.) [8] не всегда являются эффективными.
В работе [2] изучали влияние турбулизирующих препятствий (сетки и перфорированные сферы с минимальными ячейками 2*2 мм и диаметром отверстий 4 мм соответственно), расположенных внутри горючей газовой смеси, на видимую скорость горения стехиометрических водородо-воздушных и водородо-кислородных смесей. В опытах всегда наблюдали ускорение горения в 1,5-2,5 раза после препятствий, для водородо-кислородных смесей наблюдали переход горения в детонацию, зависевший от энергии инициирования [2].
Однако, сведения о взаимодействии пламен бедных смесей водорода с воздухом с сеточными препятствиями в литературе практически отсутствуют, хотя такие эксперименты представляют интерес для установления влияния противоположно действующих факторов: ускоряющих (развитие неустойчивости) и замедляющих пламя (обрыв активных центров на поверхности препятствия).
Целью настоящей работы было исследование динамики распространения пламен бедных водородо-воздушных смесей и стехиометрической смеси природного газа с воздухом внутри сеточной сферы, прохождения через сеточную сферу и дальнейшее распространение вне сеточной сферы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Опыты проводили с бедными смесями водорода (7,5-15 %) с воздухом и стехиометрической смесью природного газа (111 ) с воздухом при начальных атмосферном давлении и температуре Т0 = 298 К. Эксперименты проводили в горизонтально расположенном цилиндрическом реакторе из нержавеющей стали длиной 15 см и диаметром 13 см. Реактор был снабжен окном из оптического кварца на одном из торцов (рис. 1). В центре реактора располагали электроды искрового зажигания 6, расстояние между которыми составляло 0,5 мм. На частично изолированных электродах 6 закрепляли изготовленную из сетки сферу 5, состоявшую из двух полусфер, скрепленных пружиной 7, с вырезанными пазами для электродов.
1 - реактор из нержавеющей стали, 2 - поворотное зеркало, 3 - скоростная цветная кинокамера Casio Exilim F1 Pro, 4 - вакуумный кран напуска и откачки газа, 5 - сеточная сфера диаметром d,
6 - электроды поджига, 7 - пружина
Рис. 1. Фотография экспериментальной установки На врезке - вид внутренней части реактора с сеточной сферой
При такой организации эксперимента газ, заключенный в сеточной сфере, и внешний реакционный объем контактировали только через ячейки сетки. Использовали сеточные сферы диаметром d = 3 см (диаметр проволоки 0,2 мм, размер ячейки 0,04 мм ), d = 4 см (диаметр проволоки 0,25 мм, размер ячейки 0,08 мм2), d = 6 см (диаметр проволоки 0,3 мм, размер ячейки 0,1 мм ). Материалом сетки являлась алюминиевая проволока. Как известно, поверхность алюминия всегда покрыта его оксидом. Следовательно, поверхность сетки представляла собой оксид алюминия Al2O3, который эффективно обрывает реакционные цепи [6].
Эксперименты проводили в следующей последовательности. В реактор напускали водород, или природный газ (ПГ), затем добавляли воздух до атмосферного давления. Смесь выдерживали 15 мин для полноты перемешивания и затем проводили инициирование искрой (энергия разряда составляла 1,5 Дж). Исследование динамики воспламенения и распространения фронта пламени (ФП) осуществляли через оптическое окно цветной скоростной кинокамерой Casio Exilim F1 Pro (частота кадров - 60 - 1200 с-1). Полученный видеофайл записывали в память компьютера и затем проводили его покадровую обработку. Для визуализации водородного пламени в смесь добавляли 4 % четыреххлористого углерода (СС14). Отметим, что добавка до 4 % СС14 для данных смесей является инертной [9].
Изменение давления в процессе горения регистрировали с помощью пьезоэлектрического датчика, сигнал с которого подавали на цифровой запоминающий осциллограф С8-2. Давление в реакторе при составлении газовой смеси контролировали образцовым вакуумметром. Перед каждым опытом реактор откачивали с использованием форвакуумного насоса 2НВР-5Д. Газы Н2, четыреххлористый углерод СС14, использовали марки ХЧ, ПГ содержал 2 % пропана и бутана по данным хроматографического анализа. Величину степени расширения продуктов горения sT определяли по величине максимального давления, развиваемого в процессе горения смеси Рь [6]:
Pb/P0 = 1 + y(St-1). (1)
Величину нормальной скорости распространения пламени Un определяли из соотношения [6]:
Un = Vv/ST. (2)
В выражениях (1), (2) Рь - максимальное давление, P0 - начальное давление, у - показатель адиабаты исходной смеси, Vv - видимая скорость пламени.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Во всех экспериментах с водородо-воздушными смесями пламя, инициированное внутри сеточной сферы, проходило через ячейки сетки (кроме смеси 4 % СС14 +7,5 % Н2 с воздухом). Это означает, что взаимодействие сравнительно медленно распространяющегося пламени (нормальная скорость пламени в смеси 15 % Н2 с воздухом в ~ 6 раз меньше чем в стехиометрической смеси (~ 50 см/с), а в смеси 10 % Н2 с воздухом в ~ 15 раз меньше чем в стехиометрической смеси (~ 20 см/с) [9]) с поверхностью сетки, обеспечивающей эффективный обрыв реакционных цепей (Al2O3), не приводит к потуханию пламени. Таким образом, гетерогенный обрыв активных центров горения в наших условиях не приводит к срыву пламени.
Было установлено, что в смеси 4 % СС14+7,5 % Н2 с воздухом пламена не проходят через сетки. В отсутствие сетки ячеистое пламя этой смеси, также как и в [10], поднимается вверх и не охватывает весь объем реактора. Таким образом, в наших условиях существует критическая концентрация водорода, при которой пламя не проходит через сетку. Это согласуется с результатами расчетной работы [11], где показано, что влияние гетерогенного обрыва на распространение пламени должно наблюдаться в непосредственной близости к нижнему концентрационному пределу распространения пламени (который для водородо-воздушной смеси составляет ~ 5 % H2 [9]).
На рис. 2 представлены последовательности видеоизображений распространения фронта пламени, подсвеченного 4 % ССЦ, в смесях 10 % Н2 и 15 % Н2 с воздухом, иллюстрирующие влияние сеточной сферы на динамику распространения пламени. Из сравнения рис. 2, а (без сетки) и 2, б (с сеткой) видно, что наличие преграды приводит к искажению сферической формы пламени. Из рис. 2, II, а, б также видно, что ФП 15 % Н2 с воздухом состоит из мелких ячеек, т.е. термодиффузионный механизм возникновения неус-тойчивостей имеет место при заметном превышении нижнего концентрационного предела. Обращает на себя внимание появление потоков горячего светящегося газа из объема, ограниченного сеткой, которое возникает после достижения пламенем стенок реактора (кадры 17-19 рис. 2, II, б). В соответствии с имеющимися представлениями о механизме горения водородо-воздушных смесей вторичных экзотермических реакций в этой смеси быть не должно [9]. Наличие сетки должно к тому же приводить к более быстрому охлаждению газа внутри нее. Поэтому поток газа должен быть направлен внутрь сетки. Однако поток газа направлен вовне сеточной сферы. Выяснение причины этого явления, также как и причин, ярко светящихся областей газа вблизи, требует специального исследования.
Рис. 2. I - результат скоростной киносъемки распространения фронта пламени, подсвеченного 4% СС14, в смеси 10 % Н2 + 86 % воздух при атмосферном давлении. Цифра на кадре соответствует номеру кадра при съемке. Скорость киносъемки 60 кадров/с. а) - в отсутствие сетки; б) - в присутствии сеточной сферы d = 6 см.
II - результат скоростной киносъемки распространения фронта пламени, подсвеченного 4% СС14, в смеси 15 % Н2 + 81 % воздух при начальном атмосферном давлении. Цифра на кадре соответствует номеру кадра при съемке. Первый кадр соответствует возникновению искрового разряда. Скорость киносъемки 600 кадров/с а) - в отсутствие сетки; б) - в присутствии сеточной сферы d = 4 см; в) - динамика увеличения радиуса фронта пламени в отсутствие (1) и в присутствии (2) сеточной сферы d = 4 см (15% Н2, II а,б)
На рис. 2, в приведена динамика увеличения радиуса фронта пламени в отсутствие и в присутствии сеточной сферы. Из рисунка видно, что пламя при приближении к сетке замедляется, однако после прохождения препятствия заметно ускоряется в согласии с результатами [2]. Затем у стенки реактора опять наблюдается замедление пламени, связанное с изменением условий расширения продуктов горения [6, 9]. При отсутствии сетки пламя распространяется с практически постоянной скоростью.
Было установлено, что в присутствии сетчатой сферы распространение пламени как 10 % Н2 так и 15 % Н2 в воздухе сопровождается характерным резким звуком, т.е. акустическими колебаниями газа. Следует отметить, что распространение пламени в смеси 10 % Н2 с воздухом в отсутствие препятствий внутри реактора звуковым эффектом не сопровождается. На рис. 3 приведены зависимости изменения общего давления от времени для указанных смесей при распространении пламени в присутствии сетки. Из рис. 3, I, б видно, что в присутствии сетки в 10 % смеси Н2 с воздухом возбуждаются акустические колебания, и скорость подъема давления становится выше по сравнению с процессом в отсутствие сетки в согласии с [2]. Из рис. 3 Па видно, что в 15 % смеси Н2 с воздухом в отсутствие сетки акустические колебания возбуждаются после достижения максимума давления.
Рис. 3. Осциллограммы изменения давления при воспламенении горючих смесей.
I - 4 % СС14 +10 % Н2 в воздухе; а) - в отсутствие сетки;
б) - в присутствии сетки d = 6 см.
II - 4 % СС14+15 % Н2 в воздухе; а) - в отсутствие сетки;
б) - в присутствии сетки d = 3 см; в) - в присутствии сетки d = 4 см; 1 - сигнал при инициированном воспламенении, 2 - сигнал сравнения, жирные точки - интервал времени; 3 - растянутый временной интервал
В присутствии сетки d = 3 см (рис. 3, II, б) акустические колебания возникают значительно раньше достижения максимума давления, т.е. наличие сетки приводит к более быстрому развитию неустойчивости и обеспечивает интенсификацию процесса горения. Следует обратить внимание на тот факт, что чем больше диаметр сетчатой сферы, тем позже возникают акустические колебания, регистрируемые датчиком давления. Так для сеточной сферы диаметром 3 см (рис. 3, II, б) акустические колебания возникают через 10 мс, а для сеточной сферы диаметром 6 см (рис. 3, II, в) через 25 мс. Эти результаты означают, что наличие сетчатой преграды приводит к развитию неустойчивостей на фронте горения и возникновению акустических колебаний. Отметим, что в сферической бомбе диаметром 38,4 см, т.е. в сосуде большего размера, чем используемый в настоящей работе (см. рис. 3 [14], кривая ф = 0,4, где ф - коэффициент избытка горючего) акустические колебания возникают раньше достижения максимума давления, т.е. неустойчивости успевают развиться в ходе горения.
В следующей серии экспериментов было показано, что процесс химического превращения в стехиометрической смеси ПГ с воздухом для всех использованных в данной работе сетчатых сфер полностью охватывает объем реактора.
Однако, в отличие от горения водородо-воздушных смесей, у внутренней поверхности сетки наблюдается фактически остановка пламени с исчезновением свечения (рис. 4).
Это означает, что механизм взаимодействия этого пламени с препятствием отличается от механизма для водородо-воздушных смесей. На рис. 4, а приведена последовательность видеоизображений при распространении пламени смеси ПГ с воздухом через сетчатое препятствие, на рис. 4, б - динамика увеличения радиуса фронта пламени в присутствии сеточной сферы. Из рис. 4, а видно, что при приближении фронта пламени к сеточной сфере пламя практически потухает. После возникновения горения вне сетчатого препятствия фронт пламени не ускоряется, а распространяется с практически постоянной скоростью. Поэтому возбуждение акустических колебаний за счет ускорения пламени при горении данной смеси не наблюдается.
Оценка нормальной скорости распространения пламени вне сетчатого препятствия с использованием соотношений (1) и (2) дает ~ 27 см/с - величину, близкую к нормальной скорости сферического пламени для этого состава смеси (35 см/с [9]). Можно предположить, что затухание пламени ПГ - воздух связано с интенсивной гетерогенной гибелью активных промежуточных продуктов горения на материале сетки. Однако стабильные промежуточные продукты горения (например, гидроперекиси) диффундируют сквозь ячейки сетки и способствуют инициированию распространения пламени вне сеточной сферы. В пользу этого предположения свидетельствует отсутствие акустических колебаний при горении данной смеси, т.е. наличие сетчатой преграды не приводит к турбулизации фронта горения и возникновению акустических колебаний.
Укажем, что нормальные скорости пламен смесей 10 % Н2 и 15 % Н2 с воздухом согласно работам [9,10] составляют соответственно 21 и 45 см/с.
Отметим, что нормальная скорость распространения пламени в смеси ПГ-воздух составляет 27 см/с, т.е. величины Ц для рассматриваемых трех смесей близки. Таким образом, согласно тепловой теории горения [6], влияние потерь тепла из фронта пламени на сетке должно одинаково сказываться на процессе распространения пламени как для исследованных водородо - воздушных смесей, так и для смесей ПГ - воздух. Поэтому остановка пламени ПГ - воздух у сеточного препятствия в рамках тепловой теории горения не имеет объяснения. Этот результат свидетельствует в пользу того, что в работе получено доказательство сильного влияния активных центров на процесс горения метана и водорода, а также разной химической природы активных центров для этих двух процессов [15,16]. Можно предположить, причиной остановки пламени ПГ- воздух является активная гибель носителей цепей на А1203.
и
Рис. 4. а) - результат скоростной киносъемки распространения фронта пламени, стехиометрической смеси ПГ с воздухом при атмосферном давлении в присутствии сеточной сферы d = 4 см. Цифра на кадре соответствует номеру кадра при съемке. Скорость киносъемки 600 кадров/с. б) - динамика увеличения радиуса фронта пламени в присутствии сеточной сферы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что инициированные искровым разрядом пламена бедных смесей водорода (8-15 % Н2 в воздухе) проходят через сеточные сферы с размером ячеек 0,04-0,1 мм2. Пламя 7,5 % Н2 в воздухе не проходит сквозь сеточные сферы. В отличие от более бедных смесей пламя смеси 15 % Н2 в воздухе после прохождения препятствия ускоряется и сопровождается появлением потоков горячего светящегося газа из объема, ограниченного сеткой, которые возникают после достижения пламенем стенок реактора. При распространении пламени в смесях 10 и 15 % Н2 с воздухом в присутствии сеточной сферы возникают акустические колебания газа причем тем раньше, чем меньше диаметр сеточной сферы. Показано, что процесс химического превращения в стехиометрической смеси ПГ с воздухом для всех использованных в данной работе сетчатых сфер не сопровождается акустическими колебаниями и охватывает весь объем реактора. Показано, что активные центры горения метана и водорода, влияющие на распространение пламени, имеют разную химическую природу.
Работа частично поддержана Программой фундаментальных исследований Президиума РАН №26 «Горение и взрыв».
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. P. 735-745.
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 Propagation and Acceleration in the Presence of Obstacles // Gasdynamics of Detonations and Explosions. Progress in Astronautics and Aeronautics. 1981. № 75. P. 33-45.
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. P. 77-99.
5. Николаев Ю.А., Топчиян М.Е. Расчет равновесных течений в детонационных волнах в газах // Физика горения и взрыва. 1977. Т. 13, № 3. С. 393-405.
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. Fischer V., Pantow E., Kratzel T. Propagation, decay and re-ignition of detonations in technical structures // In the book «Gaseous and heterogeneous detonations: Science to applications». M. : ENASH Publishers, 1999. P. 197-201.
9. Lewis B., Von Elbe G. Combustion, Explosions and Flame in Gases. New York, London : Acad.Press., 1987. 566 р.
10. Dahoe A.E. Laminar burning velocities of hydrogen-air mixtures from closed vessel gas explosions // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2005. V. 18. P. 152-166.
11. Рубцов Н.М., Котелкин В.Д., Сеплярский Б.С., Цветков Г.И., Черныш В.И. Исследование особенностей инициированного горения бедных водородо-воздушных смесей при атмосферном давлении методом скоростной киносъемки // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, № 3. С. 331-339.
12. Rubtsov N.M., Seplyarsky B.S., Tsvetkov G.I., Chernysh V.I., Nimerical investigation of the effects of surface recombination and initiation for laminar hydrogen flames at atmospheric pressure // Mendeleev Communications. 2008. V. 18. P. 220-222.
13. Рубцов Н.М., Сеплярский Б.С., Трошин К.Я., Черныш В.И., Цветков Г.И. Цепное воспламенение смесей пропана и пентана с воздухом в нагретом сосуде // Журнал физической химии. 2011. Т. 85. № 10. C. 1845-1851.
14. Al-Shahrany A.S., Bradley D., Lawes M., Liu K. and Woolley R. Darrieus-Landau and thermo-acoustic instabilities in closed vessel explosions // Combustion Science and Technology. 2006. V. 178, № 10. P. 1771-1784.
15. Рубцов Н.М., Цветков Г.И., Черныш В.И. Различный характер действия малых активных добавок на воспламенение водорода и метана // Кинетика и катализ. 2007. Т. 49, № 3. C. 363-370.
16. Рубцов Н.М, Сеплярский Б.С., Цветков Г.И., Черныш В.И. Влияние паров металлоорганических соединений на процессы воспламенения и горения водорода, пропилена и природного газа // Теоретические основы химической технологии. 2009. Т. 43, № 2. С. 187-195.
INTERACTION OF SPHERICAL HYDROGEN-AIR AND METHANE-AIR FLAMES WITH CLOSE-MESHED OBSTACLES BY CENTRAL INITIATION WITH SPARK DISCHARGE.
Naboko I.M., *Rubtsov N.M., *Seplyarsky B.S., *Chernysh V.I., *Tsvetkov G.I.
Joint Institute of High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
*Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences, Moscow Region, Chernogolovka, Russia
SUMMARY. It is shown that spark initiated flames of poor hydrogen air mixtures (8 %-15 % H2) pass through close-meshed spherical obstacles with cell size 0.04-0.1 mm2; the flame of 15 % H2 in air after obstacle is accelerated. In the presence of the obstacle at flame propagation in mixtures of 10 % and 15 % H2 in air acoustic gas fluctuations occur in the reactor. The smaller spherical obstacle diameter is the earlier fluctuations occur. It is established that the flame of stoichiometric methane - air mixture passes through obstacles, however after the obstacle flame velocity remains constant; acoustic fluctuations aren't observed. It is shown that the active centers of methane and hydrogen combustion, determining flame propagation, have the different chemical nature.
KEYWORDS: development, mesh, acoustic, instability, high speed cinematography.
Набоко Идея Михайловна, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ОИВТ РАН, тел. (495)939-73-01, e-mail: idnaboko@yandex.ru
Рубцов Николай Михайлович, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ИСМАН, тел. (495)485-99-09, e-mail: nmrubtss@mail.ru
Сеплярский Борис Семенович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИСМАН, e-mail: sepl@ism.ac.ru
Черныш Виктор Иосифович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИСМАН Цветков Георгий Игоревич, инженер ИСМАН
