Исследование локальных параметров ячеистого пламени

УДК 536.244
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЯЧЕИСТОГО ПЛАМЕНИ
Абдрахманов Р.Х.1), Бояршинов Б.Ф. 1), Фёдоров С.Ю. 1)
1)
Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск, Россия
Неустойчивость плоского фронта пламени и образования ячеек на его поверхности рассматривалась в классических работах Зельдовича, Дарье, Ландау, Льюиса, Эльбе [1], а также в
исследованиях Searby [2], Сивашинского [3], Минаева и многих других. По мнению авторов [4]
точка зрения на природу ячеистых пламён формировалась под влиянием работ Маркштейна и
Сполдинга. Маркштейн в опытах с воздушными пламёнами тяжёлых углеводородов наблюдал
образование ячеек над пористой стенкой. Исходное состояние пламени – это светящийся диск,
а с увеличением расхода возникали ячейки, расположенные кругами. Их количество возрастает
с ростом подачи газа, зависит от размеров горелки и от давления. Диаграммы устойчивости
получились сложными из-за гистерезиса. Возникновение ячеек объяснено конкуренцией между
термо- и массовой диффузией на фоне гидродинамической неустойчивости [5].
Бота и Сполдинг [6] наблюдали ячеистые пламёна, стабилизированные пористой стенкой.
Они отметили, что такие пламёна распространяются быстрей, чем плоские ламинарные пламёна того же состава. Коннов и Дьяков [7] тоже использовали пористую стенку при горении смесей, содержащих углекислый газ. Отмечено отсутствие связи между числом ячеек и скоростью
распространения. Установлено, что в стехиометрическом пламени количество ячеек минимальное. Появление ячеек не связано с проявлением плавучести, что было показано при горении в невесомости [8].
В работе [9], как в работах Дарье и Ландау, показано, что тонкий фронт абсолютно неустойчив к слабым возмущениям из-за теплового расширения через фронт пламени. Баренблатт
[10] рассматривал влияние термодиффузии, Сивашинский [3] объединил оба подхода. В работе
[11] представлено строгое решение проблемы устойчивости для пламени конечной толщины.
При горении перемешанной смеси фронт пламени разделяет холодных и нагретый газ, т.е.
возникают условия для проявления неустойчивости Рэлея-Тейлора. К настоящему времени
предложено несколько гидродинамических моделей. С точки зрения математики [12] – это задача динамики жидкости со свободной границей, которая движется со скоростью распространения пламени. Используется представление о скачке плотности на фронте в форме соотношений Ренкина-Гюгонио. Скачок и скорость распространения выводятся из диффузионных процессов во фронте и влияют на соответствующие физико-химические параметры.
Дальнейшее развитие математического моделирования сдерживается из-за ограниченного
объёма опытных данных о локальных параметрах газа вблизи фронта горения. Одна из причин
связана с подвижностью ячеек. Известные экспериментальные исследования опираются в основном на описание интегральных характеристик пламени – количество и размер ячеек, зависимость их размеров от габаритов горелки, от состава смеси, от давления и т.д. В центре внимания настоящей работы находится измерение локальных параметров ячеистых пламён вблизи
проницаемой стенки. Крупномасштабные структуры, возникающие около поверхности, имеют
внешнее сходство с ячейками при неустойчивости Дарье-Ландау. Они менее подвижны по
сравнению со структурами вдали от стенок и могут быть доступны для оптических методов
диагностики течения и процессов переноса.
На рис.1а и рис.1б показано ячеистое пламя при подаче снизу-вверх пропано-воздушной
смеси сквозь горизонтальную металлическую сетку диаметром 24 мм. С уменьшением диаметра количество ячеек уменьшается, и возможен переход к горению с единственной ячейкой
(рис.1в и рис.1г).
а).
в).
б).
г).
Рис.1. Внешний вид ячеистого пламени над сеткой диаметром 24 мм (а) и (б). Внизу показаны
одиночные ячейки при горении богатой смеси (в) и бедной (г) над сеткой диаметром 10 мм.
Чтобы удовлетворить требованиям воспроизводимости результатов измерений, был принят целый ряд различных мер для достижения полной неподвижности ячеек. Они связаны со
стабилизацией расхода реагентов регуляторами расхода, с введением накопительных объёмов в
магистраль подачи газа, с применением многослойных мелкоячеистых сеток. Рассматривался
вариант перехода к исследованию характеристик пламени с одиночной ячейкой. В связи с этим
возник вопрос – насколько полно свойства процесса горения в одиночной ячейке соответствуют процессам в многоячеистом пламени?
Было установлено, что вне зависимости от их количества, ячейки образуются, если состав
исходной газовой смеси достигает определённой величины. Данные для горения пропана на
горелках различного диаметра (10, 15, 24, 31 и 40 мм) показаны на рис.2. Точки соответствуют
условию образования ячеек. Видно, что все данные, в том числе для опытов с одиночной ячейкой (рис.1в), относятся к общей зависимости. Диапазон изменения состава, когда возникают
ячейки, достаточно узкий, эквивалентное отношение Ф = (1,5-1,6) >1 соответствует горению
богатой исходной смеси. Одиночная ячейка на рисунке 1в – это фактически пламя Бунзеновской горелки с вогнутой вершиной внутреннего конуса. При добавлении воздуха факел пропана переходит к горению с внешним и внутренним конусом. Дальнейшее обеднение смеси приводит к внезапному изменению формы внутреннего конуса, и его вершина скачком смещается
навстречу смеси. Образуется ещё один конус с вершиной, обращённой к сетке. Именно этот
конус рассматривается в качестве аналога одиночной ячейки, рис.1.в. Появление подобной
конфигурации описано в работе [13] в случае горения паров кокосового масла.
Таким образом, получено необходимое условие горения струи, Ф = (1,5-1,6), с образованием ячеистых структур (рис.2). Режим горения на рис.1г помечен звёздочкой на рис.2. В нём эквивалентное отношение Ф < 1, т.е. пламя не соответствует общей зависимости и не является
ячеистым. Оно представляет интерес, как пример горения струи с неподвижным приподнятым
пламенем. Подобный объект может использоваться для проведения исследований отсоединён-
ных реагирующих струй с целью получения данных о локальных параметрах во фронте горения бедной газовой смеси.
Расход воздуха, мл/с
400
300
200
100
0
0
3
6
9
12
15
Расход пропана, мл/с
Рис.2. Соотношение потоков горючего и окислителя при образовании ячеек на сетках различного
диаметра. Линия – стехиометрия пропана при горении в воздухе. Звёздочка – режим на рис.1г.
Для анализа процесса горения, как правило, требуется иметь весь комплекс опытных данных о локальных параметрах – это результаты измерений состава, скорости и температуры газа. В рассматриваемом случае, оказалось, что традиционные контактные методы неприменимы
для изучения структуры фронта ячеистого пламени. Установлено, что миниатюрный (50 микрон) термопарный зонд оказывает влияние на форму и расположение ячеек, когда приближается к ним. В области химических превращений материал проволоки (платина-платинородий)
вызывает каталитические эффекты, которые искажают результаты измерений температуры и
приводят к разрушению зонда.
Температура, Кельвинов
2500
2000
1500
Сетка 24 мм
Удаление,мм
15
10
5
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
Радиус, мм
Рис.3. Термопарные измерения. Профиль температуры над ячеистым пламенем
На рисунке 3 показаны профили температуры, измеренные термопарой над ячеистым пламенем горелки диаметром 24 мм вдали от ячеек. Видно, что на удалении от сетки 10-15 мм
температура 2000К равномерно распределена по всей площади струи (радиус 12 мм отмечен
линией).
Для измерений в самом фронте отрабатывался оптический бесконтактный метод СКР
(спонтанное комбинационное рассеяние света) с высоким пространственным разрешением
(~0.1 мм), который применим для одновременного измерения и состава многокомпонентной
газовой смеси, и её температуры. Подготовлено соответствующее программное обеспечение,
разработана оптическая схема СКР [14], увеличивающая на порядок эффективность метода.
Испытания выявили ряд ограничений применимости СКР. По-видимому, для проведения локальных измерений температуры в тонкой области химического реагирования наиболее веро-
ятно использование аппаратуры КАРС (когерентное антистоксово рассеяние) на колебательновращательных переходах в молекулах азота [15].
При изучении газодинамических характеристик пламён использовалась оптическая аппаратура PIV (Particle Image Velocimetry), рис.4. Получены данные о картине течения в одиночной ячейке и в отдельной газодинамической структуре многоячеистого пламени. В исходную
газовую смесь вводились частички TiO2 диаметром порядка 1-10 мкм, которые свободно преодолевали металлические сетки горелок и поступали в пламя. Частицы освещались лазером
Nd:YAG с двойным импульсным излучением (длина волны 532 нм), время между импульсами
23 мкс. Положение частиц фиксировалось видеокамерой 4MPix POLIS v1.0 на базе
«ВИДЕОСКАН-4021». В поле зрения TV- камеры была область пламени 4020 мм2. Аппаратура PIV включала в себя оптическую насадку, формирующую лазерный «нож» и синхронизирующий процессор POLIS. Сбор и обработка данных производились на персональном компьютере с использованием программного обеспечения ActualFlow.
Рис.4. Схема установки для исследования газодинамической структуры ячеистого пламени.
Кроме частиц TiO2, видеокамера регистрировала положение видимого контура пламени в
плоскости лазерного «ножа». Поэтому в настоящей работе применялся наиболее наглядный
метод анализа данных PIV, основанный на сопоставлении полей газодинамических параметров
и контура пламени.
Рис.5. Неоднородное поле скорости, направленной по нормали от сетки. Красной линией показан
видимый контур пламени.
Если температура (рис.3) изменяется в направлении радиуса сравнительно слабо, то для
распределения газодинамических параметров (скорости, пульсации скорости) характерно наличие неоднородностей и больших градиентов. На рисунке 5 показано распределение вертикальной (направленной перпендикулярно к плоскости сетки) компоненты скорости. Лазерный
«нож» проходил через центры четырёх ячеек.
Как в случае с одиночной ячейкой, на выходе из сетки компонента скорости, с которой
газ удаляется от неё, сопоставима с нормальной скоростью горения пропана (~0,5-1,0 м/с). Переходя через тонкую поверхность пламени (0,2-0,5 мм) газ ускоряется до 2,5-3 м/с, что соответствует (200-300)g, а вблизи контура пламени отмечены значительные пульсации скорости.
Учитывая данные рис.3 и рис.5, получается, что при переходе через фронт пламени в центре
ячеек скоростной напор U 2 / 2 возрастает вдвое. Поэтому представляет интерес более детальный анализ консервативности интеграла Бернулли применительно к реагирующим течениям, в которых имеет место тепловое расширение продуктов сгорания.
В ходе обработки результатов измерений получены опытные данные, характеризующие
крупно- и мелкомасштабное движение газа за фронтом ячеистого пламени. Мелкомасштабное
движение отражает наличие пульсаций скорости. Для пламени с одиночной ячейкой и при
многоячеистом горении отмечено возрастание турбулентности, когда в ограниченной области
за фронтом химического реагирования среднеквадратичные значения амплитуды пульсаций
достигают 0,3-0,4 м/с, т.е. сопоставимы с нормальной скоростью горения. На рис.6 показано
распределение пульсаций скорости, соответствующих осреднённому движению на рисунке 5.
14
От стенки, мм
12
10
8
6
4
2
-10
-5
0
5
10
Вдоль стенки, мм
Рис.6. Поле турбулентности в многоячеистом пламени (горелка диаметром 24 мм). Красная линия
– видимый контур пламени.
Таким образом, с целью проведения локальных измерений разработана конструкция горелок, подобраны расходы реагентов, обеспечивающие неизменность контура пламени при исследовании горения одиночной ячейки и многоячеистого пламени. Показано, что использование контактных методов для изучения параметров во фронте ячеистого пламени неприемлемо
из-за возмущений, создаваемых зондом.
Для изучения газовой динамики процесса горения представлено одно из первых применений PIV к исследованиям ячеистого пламени. При анализе полученных данных использовался метод сопоставления видимого контура пламени и полей газодинамических параметров.
Показано, что одним из условий образования ячеек является достижение определённого
состава исходной газовой смеси. Для пропано-воздушного пламени эквивалентное отношение
равно 1,550,05 и практически не зависит от диаметра отверстия 10 < d < 60 мм.
Получены данные о наиболее общих свойствах ячеистого пламени, которые свидетельствуют о наличии вблизи его поверхности значительных газодинамических неоднородностей,
градиентов и пульсаций скорости, высокого уровня ускорения газа. Скорость газа перед фронтом пламени порядка нормальной скорости горения, скоростной напор за фронтом превышает
его уровень в исходной смеси.
Исследования проведены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект РФФИ № 15-03-03890а.
Список литературы
1. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968, 592с.
2. Clanet C., Searby G. First experimental Study of Darrieus-Landau Instability // Phys. Rev. Lett., 1998, N27,
pp. 3867-3870.
3. Sivashinsky G.I. Diffusional-thermal theory of cellular flames. // Combustion Sci. Technol, 1977, N15, pp.
137-146.
4. Gorman M., El-Hamdi M., Robbins K.A. Experimental Observation of Ordered States of Cellular Flames //
Combustion Science and Technology, 1994, Vol. 98 pp. 37-45.
5. Clavin P., Williams F.A. Theory of premixed-flame propagation in large-scale turbulence // J. Fluid Mech.
(1979), vol.90, part 3, pp.589-604.
6. Botha J. P., Spalding D. B. The laminar flame speed of propane/air mixtures with heat extraction from the
flame. Proc. Royal Soc. London A, 225(1160):71–96, 1954.
7.
Konnov A.A., Dyakov I.V. Experimental Study of Adiabatic Cellular Premixed Flames of Methane (Ethane, Pro
pane)+Oxygen+Carbon Dioxide Mixtures // Combust. Sci. and Tech., 179: 747–765, 2007.
8. Eng J. A., Law C. K., Zhu D. L. On burner-stabilized cylindrical premixed flames in microgravity. Proc. of
the Combustion Inst., 25:1711–1718, 1994.
9. Jin W., Wang J., Yu S., Nie Y., Xie Y., Huang Z. Cellular instabilities of non-adiabatic laminar flat methane/hydrogen oxy-fuel flames highly diluted with CO2 // Fuel, 2015, N143, pp. 38-46.
10. Barenblatt G, Zel’dovich YB, Istratov A. On thermal-diffusion stability of a laminar flame. Zh Prikl Mekhan
Tekhn Fiz 1962;(4).
11. Pelce P, Clavin P. Influence of hydrodynamics and diffusion upon the stability limits of laminar premixed
flames // J. Fluid Mech., 1982;124:219–37.
12. Matalon M, Cui C, Bechtold JK. Hydrodynamic theory of premixed flames: effects of stoichiometry, variable transport coefficients and arbitrary reaction orders. J Fluid Mech 2003;487:179–210.
13. Wirawan I.K.G., Wardana I.N.G., Soenoko R., Wahyudi S. Premixed Combustion of Coconut Oil on Perforated Burner // Int. Journal of Renewable Energy Development, 2013, pp.133-139.
14. Патент № 2523735. Многоходовая фокусирующая система и способ фокусировки лазерного излучения, обеспечивающий многократное прохождение лазерного пучка через измерительный объем / Бояршинов Б.Ф., Федоров С.Ю., 28. 05. 2014.
15. Бояршинов Б.Ф., Фёдоров С.Ю. Измерение температуры горения твердого топлива методом КАРС //
Прикладная механика и техническая физика, 2002, т.43, №6, с.170-175.