Форма и особенности диффузионных пламен

Многочисленные пламена можно классифицировать по начальному физическому состоянию реагентов, дисперсному составу и аэродинамике движения. Такие классификации дают несколько десятков различных типов пламен. Пламена могут быть пламенами газообразных, жидких или твердых реагентов; светящимися (содержащими конденсированные продукты) или прозрачными; предварительно перемешанными или диффузионными; ламинарными или турбулентными.

Рассмотрим форму и особенности широко распространенных диффузионных пламен. Диффузионные пламенна наблюдаются при горении неперемешанных газов, а также при горении металлов, жидких и твердых органических и элементорганических соединений в окружающей окислительной среде. На основе представлений об определяющей роли диффузии при горении в ряде работ проведен теоретический анализ характеристик диффузионного пламени. С. П. Бурке (S. Р. Burke) и Т. Е. Шуман (Т. Е. Schumann) в 1928 г. рассмотрели горение параллельных ламинарных потоков горючего и окислителя, движущихся с одинаковыми скоростями, и получили уравнение, описывающее форму и размеры пламени. Полученные в предположении бесконечно большой скорости реакции зависимости оказались в удовлетворительном соответствии с опытом. Расчеты основывались на рассмотрении взаимной диффузии горючего газа и кислорода. Случай, рассмотренный Бурке и Шуманом, является частным, однако результаты расчетов имеют общее значение и могут быть применены, например, к диффузионным пламенам жидкостей.

Упрощенная схема распределения N2, 02 и продуктов сгорания в ламинарном диффузионном пламени приведена на рис. 1.12. Поверхность пламени 3 отделяет область, где имеется кислород, от области, в которой нет кислорода. Зона взаимодействия горючего 1 с кислородом окружающей среды представляет собой тонкий реакционный слой на поверхности пламени. Кислород из окружающей среды диффундирует в реакционный слой на поверхности пламени через все расширяющийся слой продуктов сгорания 2, вследствие чего фронт пламени (в момент формирования) искривляется и приобретает конусообразную (колоколообразную) форму. Форма ламинарного диффузионного пламени описывается уравнением Дуфа (1956).

Рис. 1.12. Схема распределения концентраций в ламинарном диффузионном пламени:

1 — горючий газ; 2 продукты сгорания; 3 — фронт (поверхность) пламени.

(1.34).

где Н и R — максимальная высота и радиус пламени; /гиграсстояние от поверхности пламени соответственно до его основания и оси.

Максимальная высота пламени равна.

(1.35).

где? — стехиометрический коэффициент; r, и — плотность и линейная скорость горения образца; R — радиус горелки или образца; G = ???R2 - расход горючего; D — коэффициент диффузии кислорода; - концентрация кислорода в окружающей среде.

При горении образцов разного диаметра из различных горючих в одной и той же среде (например, в среде воздуха) (D, = const) получаем.

или

При горении образцов постоянного диаметра из различных горючих в одной и той же среде (D, , R = const) получаем.

При горении одного и того же горючего в постоянной среде (D, , r,? = const) получаем

Рис. 1.13. Форма диффузионного пламени этанола^[1]

Конусообразная (колоколообразная) форма удовлетворительно согласуется с опытом Р. Е. Дуфа (R. Е. Duff) (1956). Это хорошо видно, например, из рис. 1.13. Экспериментальные точки — результаты измерений фотографических снимков пламен различных смесей этилового спирта с водой, сгоравших в стеклянной горелке диаметром 22 мм. Сплошная кривая проведена в соответствии с уравнением, описывающим форму ламинарного диффузионного пламени.

Как видно, опытные точки достаточно хорошо ложатся на теоретическую кривую. Следует, однако, отметить, что для пламен, из которых происходит выделение значительного количества несгоревших частиц в виде дыма, понятие «высота пламени» теряет свою определенность (так как трудно определить границу сгорания газообразных продуктов в вершине пламени), а форма пламени не соответствует теоретической кривой.

Форма и особенности открытых воздушных диффузионных пламен твердого и жидкого горючего исследованы с помощью фотографирования и киносъемки. Фотоснимки ламинарных диффузионных пламен представлены на рис. 1.14. Пламена алифатических соединений (гептана, пентадекана, твердого парафина С26Н54 и бензина в первоначальный момент горения) имеют колоколообразную форму, которая соответствует теоретической кривой (рис. 1.14, а). Визуально отчетливо наблюдаются темная внутренняя зона (нижней части пламени), светящаяся зона внутри пламени, светящийся реакционный слой на поверхности пламени и ореол вокруг пламени. При дальнейшем горении бензина форма пламени изменяется и приобретает коническую форму или форму усеченного конуса, что, очевидно, связано с началом выгорания ароматических соединений. Из устья ламинарных пламен исследованных ароматических соединений (бензола, толуола, нафталина, антрацена, флуорена, стильбена, толана, динитротолуола) (рис. 1.14, б) выделяется значительное количество дыма. Как и при горении специфических этических соединений, наблюдаются темная зона в нижней чаши пламени, светящаяся зона внутри пламени и реакционный слой на поверхности. Пламя имеет форму усеченного конуса, не соответствующую форме теоретической кривой.

Рис. 1.14. Пламена алифатических соединений (гептана, пентадекана, парафина) (я), ароматических соединений (бензола, толуола, нафталина, антрацена, флуорена, стильбена, толана, динитротолуола) (б), уротропина, гексазадекалина, полиформальдегида, этанола (в), борорганических соединений (г) и магния (д).

Пламена исследованных азоти кислородсодержащих соединений (рис. 1.14, в) из-за отсутствия в пламени углеродистых конденсированных частиц являются слабосветящимися. Пламена борорганических соединений (рис. 1.14, г) состоят из двух резко отличающихся по цвету зон — внутренней красной и наружной зеленой. С увеличением углеводородной части в борорганическом соединении размеры внутренней зоны увеличиваются, а наружной — уменьшаются. Пламя медьорганического соединения состоит из двух основных зон: внутренней красной и наружной голубой. В устье пламени ферроцена часто наблюдаются интенсивное искрение и выделение конденсированных частиц. При горении магния (рис. 1.14, д) образуется интенсивно светящееся диффузионное пламя формы усеченного конуса, из вершины которого происходит выделение конденсированных частиц.

С увеличением диаметра образца в пламени исследованных соединений, которое остается коническим, происходят продольные пульсации, и высота пламени периодически меняется. При дальнейшем увеличении диаметра образца пульсации не прекращаются, пламя приобретает причудливую форму и возникают беспорядочные турбулентные движения. Высота пламени растет с увеличением диаметра образца, а отношение высоты к диаметру сначала быстро убывает, а в области больших диаметров почти не меняется^[2]. В свободно восходящей конвективной струе продуктов сгорания число Рейнольдса Re возрастает с увеличением расстояния от поверхности образца, и на некоторой высоте происходит срыв ламинарного потока и переход его в турбулентный. Критическое значение Re составляет 150 и примерно в 10 раз меньше обычно принятого критического значения. Переход от ламинарного к турбулентному режиму в свободно восходящей струе газа, поднимающейся от пламени, был теоретически рассмотрен Я. Б. Зельдовичем (1937). Колебания диффузионного пламени экспериментально исследованы в работе Э. Максимова и др.^[3]

Изменение формы и размеров пламени при увеличении его диаметра (вследствие распространения по поверхности образца) представлено на рис. 1.15. Нарушение ламинарной структуры (появление искривлений, пульсаций) пламени парафина С26Н54, уротропина, 2, 3, 5, 7, 8, 10-гексазадекалина C4H12N6 и ферроцена наблюдается при диаметре пламени 23−32 мм.

Рис. 1.15. Изменение формы и размеров пламен (ферроцен, диаметр образца 136 мм).

• [1] Колмогоров А. Н., Петровский И. Г., Пискунов П. С. Исследование уравнения диффузии, соединенной с возрастанием вещества, и его применение к одной биологической проблеме // Бюллетень МГУ. 1937. Т. 1. Сер. А. Вып. Б. С. 125−142.
• [2] Ловачев Л. А. Теория пределов распространения пламени в газах // Доклады АН СССР. 1970. Т. 193. № 3. С. 634−637.
• [3] Максимов Э., Мержанов А. Г., Шкиро В. М. Безгазовые составы как простейшая модель горения нелетучих конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 1965. Т. 1. № 4. С. 24 30.