1.2.1.1 Теория распространения ламинарного фронта пламени

Тепловая теория распространения ламинарного пламени

Пламя является концентрированным источником тепловой энергии и химически активных частиц — атомов и радикалов, и в общем случае распространение пламени должно быть обусловлено потоком тепла и реакционных центров из пламени в свежий газ.

Однако, начиная с пионерской работы Мал- лара и Ле-Шателье [91, 105], в течение длительного времени механизм распространения пламени представляли как непрерывный нагрев последовательных слоев свежего газа до такой температуры, при которой происходит его самовоспламенение. Щ. —/ 'Г

—"WT #

РШ f -оо Ј -t-oo Рисунок 1 2 - Распределение температуры в стационарном пламени: 5п и бр — зоны подогрева и реакции; То= Тв температура начала реакции, воспламенения.

Распределение температуры в стационарном фронте пламени, в который свежий газ втекает с постоянной скоростью Uji, показано на рисунке 1.2. Согласно этой схеме, нагрев слоя свежего газа толщиной dx и сечением 1 см от начальной температуры Т0 до температуры воспламенения Тв обеспечивается тепловым потоком, соответствующим перепаду температур от максимальной Тмакс До температуры воспламенения Тв.

Маллар - Ле-Шателье [105, 120] получили формулу для оценки скорости горения:

U _ № ^мтс ~ Тв 1

Риск С р Тв-Т0 хсг ^ ^

где Р'кх - плотность исходного газа; Ср - удельная теплоёмкость при постоянном давлении; V - коэффициент теплопроводности; ха— толщина зоны химической реакции.

Соколик, продолжая работу над формулой Маллара - Ле Шателье, предложил следующую формулу для расчета скорости распространения ламинарного фронта пламени [120,121]:

а Т -Т

[J — , В

Л г гр гр

р в~ 0 , (1.2)

где Ср - средняя теплоемкость в интервале То - Тв на единицу объема смеси; а - коэффициент теплопередачи, кал/см »сек*град.

К недостатку этой теории следует отнести отсутствие учета влияния диффузии легких молекул и активных центров во фронте пламени.

Диффузионная теория распространения ламинарного пламени

В противоположность чисто тепловой теории горения, рассматривающей процесс распространения пламени как обязанный исключительно переносу тепла, и не учитывающей кондуктивную теплопередачу тепла и диффузионное перемешивание свежего и сгоревшего газов. Чисто диффузионные теории горения отводят главную роль в распространении пламени диффузионному переносу активных центров. Этот механизм распространения пламени является единственно возможным в том случае, когда в процессе горения полностью отсутствует разогрев от реакции и, соответственно, не создаются ни градиенты температур, ни тепловой поток [97, 105,120].

Диффузионный механизм предполагает, что во фронте пламени присутствуют при термодинамических равновесных концентрациях потенциальные носители окислительных цепей, такие как атомы водорода, кислорода и гидро- ксильные радикалы [69]. Так как некоторые из этих частиц, особенно атомы водорода, диффундируют очень быстро, то предполагается, что концентрация носителей цепей в более холодном свежем газе перед фронтом пламени повышается благодаря диффузии до величины, значительно превышающей термодина-

Рисунок 1.3 - Схема диффузионного механизма.

мическую равновесную концентрацию для этой области [105, 120]. Механизм схематически показан на рисунке 1.3.

Теорией диффузионного механизма распространения ламинарного пламени занимались: Тенфорда и Пиза, Ван-Тиггелена, Гейдона и Вольфгарда, Бартоломе и Мэнсона.

Теория Тенфорда и Пиза

Основная идея этой наиболее распространенной диффузионной теории горения исходит из того, что для ряда смесей СО—03—N2—Н20, Н2 различного состава, «... не существует никакой корреляции между скоростью пламени и концентрацией атомов О и лишь слабо выраженная корреляция с концентрацией радикалов ОН». Наоборот, наблюдается резко выраженная связь между скоростью пламени и концентрацией атомов Н [91, 105, 120], имея при этом в виду термодинамически равновесные концентрации в продуктах сгорания. Отсюда делается вывод, что именно атомы Н играют решающую роль в процессе распространения пламени, и что «... это связано с повышенной скоростью их диффузии... по сравнению... со всеми остальными радикалами». [105]

Приближенное уравнение для скорости пламени Тенфорда и Пиза: / \ 1/2 и A}iJk-Y i'Pi'Di

J1 rp ту

\ макс Di У

где Р' - мольная доля горючего в свежей смеси; N - вычисленная мольная доля i-ro активного вещества при равновесной температуре пламени Тмакс; Di - коэффициент диффузии i-ro вещества в свежую смесь, см2/сек; В, - безразмерный коэффициент, учитывающий рекомбинацию радикалов; к, - соответствующие константы скоростей реакции.

20

Теория Ван-Тиггелена

В этом варианте диффузионной теории горения, развиваемой, начиная с 1946 г.

[69, 105, 120], распространение пламени представляется, как диффузионное перемещение активных центров так, чтобы на протяжении зоны реакции «...каждый активный центр в среднем, по крайней мере, один раз участвовал бы в реакции разветвления».

Полученное в итоге разработки этой теории соотношение для скорости распространения пламени:

* (|4j

Т = т -074(Г -Т )

где То - начальная температура газа; СР 0 w 0/ - условная средняя температур; М - молекулярный вес активных частиц; R - числовой множитель; ^ - толщина пламени

Теория Гейдона и Вольфгарда

Эта попытка количественного подтверждения общей концепции диффузионной теории сопоставлением непосредственно измеряемой протяженности зоны реакции и вычисленного пути диффузии атомов Н за время реакции [69, 105,120].

DTn

ср1 0

ил =

2тг?Р, (1.5)

D Т

где ср - диаметр атомов водорода; То - начальная температура газа; р - температура реакции, Гге - время реакции.

Теория Бартоломе и Мэнсона

В ряду диффузионных теорий особое место занимают эти работы, в которых диффузия атомов Н из фронта пламени в свежий газ рассматривается как фактор инициирования цепной реакции при высоких температурах смеси [105, 120].

Если при низких температурах пламен нагрев свежего газа осуществляется преимущественно теплопроводностью (тепловые пламена), то при высоких температурах пламен, когда резко возрастает диссоциация продуктов, главным фактором теплопередачи становится, по мнению автора, диффузия атомов Н и их рекомбинация (радикальные пламена).

Рсг P-XJq

Ро(Ро-Рсг) 2 Тсг

сг

(1.6)

где Ро и Рсг ~ плотность газа и продуктов сгорания, Хн - мольная доля атомов водорода в продуктах сгорания; р - давление газа; То и Тсг - начальная температура газа и температура сгорания [120].

Современная теория распространения ламинарного пламени

Первые предпосылки объединить тепловой и диффузионный механизм были сделаны в работах Льюиса и Эльбе [95]. Пламя рассматривается как непрерывное ускорение реакции. Тепловой поток из зоны реакции в свежий газ осуществляется как теплопроводностью, так и диффузионным перемешиванием свежего газа с продуктами сгорания.

Последовательное применение чисто теплового механизма распространения пламени в общем виде впервые было осуществлено в работах Зельдовича и Франк-Каменецкого [67, 68, 69], и Семенова [114], создавших своего рода модельную схему для тепловой теории горения. Зельдович и Франк-Каменецкий дают следующее определение теплового механизма распространения пламени «...в случае реакций с неавтокаталитической кинетикой причиной вступления в реакцию свежего газа является нагревание его теплом, выделяющимся при реакции, поэтому такое распространение мы и называем тепловым. Это вовсе не значит, что в зоне пламени не происходит диффузии; в простейших случаях поле концентраций подобно полю температур, т. е. диффузионный поток столь же мощен, сколь и тепловой» [49]. При тепловом механизме распространения пламени диффузионное перемешивание свежего газа с продуктами сгорания можно рассматривать, как дополнительный, наряду с теплопроводностью, фактор переноса тепла.

Разрабатывая эту теорию Семенов [113, 114, 120] получил уравнение для скорости пламени, в основу которого был положен тепловой механизм с учетом диффузии молекул.

(1.7)

. Ро

где ^ - теплопроводность; а°- концентрация рабочего тела; - плотность исходного газа; L - теплотворная способность горючей смеси; ® - скорость химической реакции.

Основные затруднения при использовании предложенной зависимости заключаются в определении скорости химической реакции со*е "т, когда в течение нескольких миллисекунд происходит изменение в объеме КС температуры от температуры сжатия до температуры горения, причем Е также зависит от температуры.

<< | >>
Источник: Смоленский Виктор Владимирович. Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при добавке водорода в топливно-воздушную смесь: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02. - М.: РГБ, 2007. 2007

Еще по теме 1.2.1.1 Теория распространения ламинарного фронта пламени:

  1. 1.1 Методы расчета рабочего процесса поршневого бензинового ДВС
  2. 1.2.1 Механизм распространение пламени
  3. Распространение пламени.
  4. 1.2.1.1 Теория распространения ламинарного фронта пламени
  5. 1.2.1.2 Распространение турбулентного фронта пламени
  6. 1.3.2 Распространение пламени в КС двигателя с искровым зажиганием
  7. 1.7.1 Возможности применения датчика ионизации для контроля и регулирования процесса сгорания ТВС в цилиндре двигателя.
  8. 2.1 Экспериментальная установка
  9. 2.2.1 Датчик ионизации, использованный в эксперименте
  10. 3.1 Измерение и анализ продолжительности процесса сгорания